JP4638077B2

JP4638077B2 - 走査型広域被検面形状解析装置

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Publication number: JP4638077B2
Application number: JP2001151398A
Authority: JP
Inventors: 和彦川▲崎▼; 直樹光谷; 宏配野
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2021-05-21
Also published as: JP2002048522A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計を内蔵する計測手段で、被検面を走査し、被検面の面形状を算出する走査型広域被検面形状解析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
略平面形状を有する被検面の面形状を高精度に測定する方法として、干渉計により、光源からの光束を参照面、略平面形状をなす被検面にそれぞれ投射して参照面からの反射光と被検面からの反射光との光学的干渉縞像を発生させ、この光学的干渉縞像を用いて被検面の面形状を測定するものがある。この干渉計を用いた方法では、高精度な測定が可能である反面、被検面上の一観測領域内において上下方向に数μｍ以上のうねりがあると、観測領域内の干渉縞の本数が多くなり、測定が困難になる。
【０００３】
一般に、被検面の面積が広くなるほど、被検面の上下方向のうねり量は大きくなる。上下方向にうねりが大きな広域の被検面の面形状を測定する際には、干渉計を被検面の観測領域と相対移動させる走査機構を設けた走査型装置を用いることが必要であるが、この走査型装置においても、同様に、上下方向のうねり量に関する制約がある。
【０００４】
干渉計を用いて高精度な面形状の測定を行うためには、被検面に対する干渉計の姿勢を、干渉計の参照面と被検面とが平行または平行に近い姿勢に保持することが好ましい。換言すれば、取得された干渉縞像に含まれる干渉縞の本数が被検面に対する取得姿勢を表すので、この干渉縞の本数が、要求される測定精度に応じた本数以下であることが望まれる。
【０００５】
そこで、干渉計を用いて広域被検面の面形状を測定する装置として、干渉計を被検面に対して相対移動させる走査機構と、参照面と被検面とが平行または平行に近い状態になるように被検面に対する干渉計の姿勢を可変する対被検面姿勢可変機構を設けた装置が考えられる。この装置では、広域被検面の面形状を計測する際には、所定本数以下の干渉縞を得るための予備計測を行い、この予備計測から得られた計測画像データの取得領域毎に、所定本数以下の干渉縞を得るための姿勢制御量を求め、この姿勢制御量を用いて干渉計の姿勢を制御しながら本計測を行うという測定サイクルを実行することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した装置では、同一の被検面に対して、所定本数以下の干渉縞を得るための予備計測と、この予備計測から得られた姿勢制御量を用いて干渉計の姿勢を制御しながら本計測とを行う必要があるので、被検面の面形状の測定に掛かる時間が倍増することになる。
【０００７】
本発明の目的は、測定時間を大幅に短縮化することができる走査型広域被検面形状解析装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、光源からの光束を参照面、光学支持面に載置された被検査物の被検面にそれぞれ投射して前記参照面からの反射光と前記被検面からの反射光との光学的干渉縞像を発生させる干渉計を内蔵し、該干渉計により発生された光学的干渉縞像を計測画像データとして取得する計測手段と、前記計測手段における光束の光軸と前記参照面との交点を走査基準位置とし、前記走査基準位置が前記計測画像データを取得する際の各取得位置に順次到達するように前記計測手段を前記光学支持面と平行に移動させる走査手段と、前記走査基準位置を始点として前記光軸に沿って延ばした方向ベクトルを基準軸とし、該基準軸の傾き方向が前記被検面に対して変わるように前記計測手段の前記画像データを取得する際の取得姿勢を可変する姿勢可変手段と、前記取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データに基づき前記取得位置および取得姿勢に対応する被検面の取得領域の面形状を解析、算出する面形状解析算出手段と、前記走査手段と前記姿勢可変手段とを駆動制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、現在の取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データを用いて次の取得位置を算出し、該算出された次の取得位置での取得姿勢を算出することを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の走査型広域被検面形状解析装置において、前記制御手段は、前記現在の取得位置および取得姿勢での計測画像データから得られた被検面の取得領域の面形状に基づき、前記現在の取得位置から前記計測手段の走査方向へ向かう走査線上における該被検面の取得領域の端位置に対応する位置を求め、前記現在の取得位置から前記次の取得位置までの直線距離が前記現在の取得位置から前記求められた被検面の取得領域の端位置に対応する位置までの直線距離の２倍以内になるように前記次の取得位置を算出することを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の走査型広域被検面形状解析装置において、前記制御手段は、前記算出された次の取得位置から前記現在の取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データに対応する前記被検面の取得領域またはその延長上の領域に向けて引かれた現在の取得位置および取得姿勢での前記基準軸に平行な線と該取得領域またはその延長上の領域との交点位置での垂線ベクトルを求め、該求められた垂線ベクトルに一致または平行となる基準軸の傾き方向を前記次の取得位置での取得姿勢とすることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項３の走査型広域被検面形状解析装置において、前記制御手段は、前記計測手段が前記次の取得位置に向けて移動された際に該計測手段が移動された位置が前記算出された次の取得位置と僅かに異なるときには、前記計測手段が移動された位置から前記現在の取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データに対応する前記被検面の取得領域またはその延長上の領域に向けて引かれた現在の取得位置および取得姿勢での前記基準軸に平行な線と該取得領域またはその延長上の領域との交点位置での垂線ベクトルを求め、該求められた垂線ベクトルに一致または平行となる基準軸の傾き方向を前記次の取得位置での取得姿勢とすることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１または２記載の走査型広域被検面形状解析装置において、前記制御手段は、前記算出された次の取得位置から前記現在の取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データに対応する前記被検面の取得領域に向けて引かれた現在の取得位置および取得姿勢での前記基準軸に平行な線と該取得領域との交点位置を求め、該求められた交点位置およびその近傍の位置に基づき最小二乗近似平面を算出し、該算出された最小二乗近似平面の法線ベクトルに一致または平行となる基準軸の傾き方向を前記次の取得位置での取得姿勢とすることを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項１または２記載の走査型広域被検面形状解析装置において、前記制御手段は、前記計測手段の前記次の取得位置への位置決め後に、該次の取得位置で取得される計測画像データに基づき該計測画像データにより示される干渉縞の本数を算出し、該算出した干渉縞の本数が所定本数以下となる取得姿勢を前記次の取得位置での取得姿勢とすることを特徴とする。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項１記載の走査型広域被検面形状解析装置において、前記面形状解析算出手段は、前記取得位置のそれぞれでの計測画像データに対応する面形状の取得領域の内の互いに隣接する２つの取得領域が重なり合う領域部分の面形状を算出する中間領域面形状算出機能を有し、前記中間領域面形状算出機能は、前記互いに隣接する２つの取得領域の面形状を合成することにより前記領域部分の面形状を算出することを特徴とする。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の走査型広域被検面形状解析装置において、前記中間領域面形状算出機能により面形状が算出される領域部分は、前記互いに隣接する２つの取得領域の内の一方の取得領域における取得位置に対応する第１の位置と他方の取得領域における取得位置に対応する第２の位置との間に存在する領域部分であり、前記中間領域面形状算出機能は、前記一方の取得領域の第１の位置と前記他方の取得領域の第２の位置との間にある対象位置における面形状を算出する際には、前記一方の取得領域の第１の位置から前記対象位置までの距離と前記対象位置から前記他方の取得領域の第２の位置までの距離との比により規定される重み係数を用いて前記一方の取得領域の面形状と前記他方の取得領域の面形状とを合成することにより、前記対象位置における面形状を算出することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る走査型広域被検面形状解析装置の構成を模式的に示す斜視図、図２は図１の走査型広域被検面形状解析装置に搭載されている計測ヘッドの構成を示す透視図である。
【００１８】
走査型広域被検面形状解析装置は、図１に示すように、上面に光学支持面が形成されている光学定盤６と、光学定盤６の光学支持面上に置かれた被検査物５の被検面５ａの面形状を得るための計測画像データを取得する計測ヘッド１と、計測ヘッド１が被検査物５の被検面５ａを走査するように計測ヘッド１を光学定盤６の光学支持面に平行に各取得位置に順次移動させる走査機構２と、計測ヘッド１が各取得位置で計測画像データを取得する際の該計測ヘッド１の取得姿勢を可変する対被検面姿勢可変機構３とを備える。
【００１９】
計測ヘッド１は、図２に示すように、光源１ａからの光束をレンズ１ｂ、ビームスプリッタ１ｃ、レンズ１ｄを介して参照面１ｅ、略平面形状をなす被検面５ａ（図１に示す）にそれぞれ投射して参照面１ｅからの反射光と被検面５ａからの反射光との光学的干渉縞像を発生させる干渉計と、該干渉計により発生された光学的干渉縞像を計測画像データとして取得するデータ取得手段７とを内蔵する。
【００２０】
走査機構２は、図１に示すように、支持部４を有し、この支持部４は、光学定盤６に設けられたガイドレール２ｂに案内されながらｙ方向に自走可能に構成されている。支持部４には、上記ｙ方向と直交するｘ方向に延びるガイドレール２ａが設けられ、このガイドレール２ａには、移動台２ｃが移動可能に支持されている。移動台２ｃは、駆動源（図示せず）を有し、この駆動源によりガイドレール２ａに案内なされながらｘ方向に自走可能に構成されている。この走査機構２の支持部４の移動により計測ヘッド１を被検面５ａに対してｙ方向に走査することができ、移動台２ｃの移動により計測ヘッド１を被検面５ａに対してｘ方向に走査することができる。この走査により計測ヘッド１が対応する取得位置へ移動される際には、図２に示すように、計測ヘッド１の光軸Ｏaと参照面１ｅの交点位置Ｒ0が対応する取得位置に一致するように移動されることになる。
【００２１】
移動台２ｃには、対被検面姿勢可変機構３が搭載されている。対被検面姿勢可変機構３は、計測ヘッド１を基準軸Ｒａの始点Ｒ０を中心に揺動運動させることによって計測ヘッド１の取得姿勢を可変する。ここで、基準軸Ｒａは、図２に示すように、計測ヘッド１における光源１ａの光束の光軸Ｏａと参照面１ｅとの交点を始点Ｒ０として該光軸Ｏａに沿って延ばした方向ベクトルで表され、基準軸Ｒａの光学定盤６の光学支持面に対する傾き方向が、計測ヘッド１が被検面５ａに対して計測画像データを取得する際の取得姿勢を表すことになる。
【００２２】
計測ヘッド１のデータ取得手段７により取得された計測画像データは、ケーブル８ａを介して画像処理制御装置８に入力される。画像処理制御装置８は、ＣＰＵ、メモリ、インタフェースを備える装置例えばコンピュータなどから構成される。画像処理制御部８は、入力された計測画像データを解析し、対応する被検面の取得領域の面形状を算出する面形状解析算出処理を行う。また、画像処理制御装置８は、計測ヘッド１の取得位置および取得姿勢を制御するための走査姿勢制御を行う。この走査姿勢制御では、具体的には、現在の取得位置および取得姿勢で得られた計測画像データまたは算出された面形状を用いて次の取得位置を算出し、計測ヘッド１における光軸Ｏaと参照面１ｅの交点位置Ｒ0が算出された次の取得位置に移動するように移動台２ｃを駆動制御するための取得位置制御信号を算出するとともに、現在の取得位置および取得姿勢で得られた計測画像データまたは算出された面形状を用いて次の取得位置での取得姿勢を算出し、計測ヘッド１における基準軸Ｒａが算出された取得姿勢に一致するように対被検面姿勢可変機構３を駆動制御するための取得姿勢制御信号を算出する。取得位置制御信号は走査ドライバ９に入力され、取得姿勢制御信号は対被検面姿勢可変ドライバ１０に入力される。画像処理制御装置８には、モニタ１１が接続されており、このモニタ１１には、設定された計測条件、計測画像データとして取得された光学的干渉縞像、算出された面形状などを選択的に表示することが可能である。
【００２３】
走査ドライバ９は、入力された取得位置制御信号に基づき計測ヘッド１における光束の光軸Ｏａと参照面１ｅとの交点の位置が算出された次の取得位置に移動するように移動台２ｃを駆動するための駆動信号を生成し、この駆動信号は、信号ケーブル９ａを介して走査機構２の移動台２ｃに出力される。
【００２４】
対被検面姿勢可変ドライバ１０は、入力された取得位置制御信号に基づき計測ヘッド１における基準軸Ｒａが算出された取得姿勢に一致するように対被検面姿勢可変機構３を駆動するための駆動信号を生成し、この駆動信号は、信号ケーブル１０ａを介して対被検面姿勢可変機構３に入力される。
【００２５】
次に、本実施の形態の走査型広域被検面形状解析装置における計測動作について図３ないし図９を参照しながら説明する。図３は図１の走査型広域被検面形状解析装置における走査姿勢制御の手順を示すフローチャート、図４は図１の走査型広域被検面形状解析装置における面形状算出処理の手順を示すフローチャート、図５（ａ）は図１の走査型広域被検面解析装置における計測ヘッドの取得位置および取得姿勢と被検面の関係を模式的に示す図、図５（ｂ）は図１の走査型広域被検面解析装置における各取得領域の内の互いに隣接する２つの取得領域が重なり合う領域部分の面形状を合成して算出する方法を模式的に示す図、図６は図１の走査型広域被検面形状解析装置における計測ヘッドの次の取得位置の算出方法を模式的に示す図、図７および図８は図１の走査型広域被検面形状解析装置における計測ヘッドの次の取得位置での取得姿勢の算出方法を模式的に示す図、図９は図１の走査型広域被検面形状解析装置における互いに隣接する２つの取得領域が重なり合う領域部分の面形状を算出する方法を模式的に示す図である。
【００２６】
本走査型広域被検面解析装置においては、図５（ａ）に示すように、予め光学定盤６の光学支持面をｘ−ｙ平面とし、その高さ方向をｚ方向とする三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）が規定され、移動台２ｃはｘ方向すなわち計測ヘッド１の計測走査方向ｄｓ（図中の矢印が示す方向）を主走査方向として光学定盤６の光学支持面に平行に移動される。また、副走査方向はｙ方向となり、副走査は支持部４をガイドレール２ｂに沿って移動することにより行われる。
【００２７】
ここで、計測ヘッド１における基準軸Ｒaの始点Ｒ0のｚ座標値がｚ0（＝一定値）とすると、この始点Ｒ0の座標値ｚ0は計測ヘッド１の走査によって変化しないので、計測ヘッド１の取得位置は座標値（ｘ，ｙ，ｚ0）で一意に表される。すなわち、現在の取得位置Ｐの座標値を（ｘ，ｙ，ｚ0）とすると、この取得位置Ｐの座標値に計測ヘッド１の始点Ｒ0の座標値が一致するように計測ヘッド１が位置決めされることになる。また、計測ヘッド１における基準軸Ｒaの傾きが計測ヘッド１の取得姿勢を表し、現在の取得位置Ｐにおいては、計測ヘッド１における基準軸Ｒaが始点Ｒ0を基準とし、対応した方向に傾けられることになる。
【００２８】
現在の取得位置Ｐおよび取得姿勢で計測ヘッド１により計測画像データが取得されると、この計測画像データに基づき現在の取得位置Ｐおよび取得姿勢に対応する被検面５ａの取得領域Ｓの面形状が算出される。次いで、取得領域Ｓの面形状に基づき次の取得位置Ｐ'が算出され、計測ヘッド１はその始点Ｒ0が次の取得位置Ｐ'に一致するように移動される。また、次の取得位置Ｐ'における取得姿勢に関しては、基準軸Ｒaが現在の取得位置Ｐで得られた面形状を有する取得領域Ｓに対して略直交するように計測ヘッド１の次の取得姿勢が算出される。
【００２９】
次の取得位置Ｐ'と次の取得姿勢が算出されると、算出された次の取得位置Ｐ'へ計測ヘッド１が移動されるとともに、その取得姿勢が算出された次の取得姿勢に変更され、次の取得位置Ｐ'で次の取得姿勢に保持された計測ヘッド１によって計測画像データの取得が行われる。そして、この次の取得位置Ｐ'で取得された計測画像データに基づき該次の取得位置Ｐおよび取得姿勢に対応する被検面５ａの取得領域Ｓ'の面形状が算出される。このように、計測ヘッド１を各取得位置に順に移動し、また各取得位置毎に計測ヘッド１の取得姿勢（基準軸Ｒa）を可変しながら、各取得位置Ｐで対応する取得姿勢に保持された計測ヘッド１によって計測画像データの取得が行われることになる。
【００３０】
被検面５ａの走査が終了すると、各取得位置毎に対応する取得領域の面形状が得られ、各取得領域の面形状から被検面５ａの全体の面形状が算出される。各取得領域の面形状から被検面５ａの全体の面形状を算出する際には、例えば図５（ｂ）に示すように、各取得領域の内の互いに隣接する２つの取得領域Ｓ，Ｓ'が重なり合う領域部分の面形状を合成して算出する。具体的には、互いに隣接する２つの取得領域の重なり合う部分Ｓｍ，Ｓ'ｍの面形状を合成することにより、互いに隣接する２つの取得領域Ｓ，Ｓ'が重なり合う領域部分の面形状を算出する。そして、互いに隣接する２つの取得領域Ｓ，Ｓ'から成る領域の面形状Ｓｉを算出する。
【００３１】
次に、次の取得位置Ｐ'の算出方法について図６を参照しながら説明する。本実施の形態では、図６に示すように、計測ヘッド１の現在の取得位置をＰとし、この現在の取得位置Ｐで計測画像データを取得した被検面５ａ上の取得領域をＳとすると、現在の取得位置Ｐに対応する取得領域Ｓ上の位置Ｒが求められ、この位置Ｒから計測走査方向ｄsに延ばした直線が取得領域Ｓの境界と交わる位置Ｒｍが求められる。次いで、取得位置Ｐから計測走査方向ｄsに延ばした直線上における位置Ｒｍに対応する参照面１ｅ上の位置Ｑが求められ、取得位置Ｐから位置Ｑまでの直線距離│Ｐ−Ｑ│が算出される。そして、次の取得位置をＰ'とすると、現在の取得位置Ｐから次の取得位置Ｐ'までの計測走査方向ｄsに沿った直線距離│Ｐ−Ｐ'│と直線距離│Ｐ−Ｑ│との間に次の（１）式に示す関係を成立させる任意の取得位置が次の取得位置Ｐ'として求められる。
【００３２】
│Ｐ−Ｐ'│≦２│Ｐ−Ｑ│ …（１）
次に、次の取得姿勢の算出方法について図７および図８を参照しながら説明する。次の取得姿勢の算出においては、図７に示すように、計測ヘッド１の現在の取得位置をＰとし、この取得位置Ｐで取得された計測画像データに基づき算出された面形状の取得領域をＳとすると、上述した方法で求められた次の取得位置Ｐ'において、計測ヘッド１の基準軸Ｒaが取得領域Ｓに対して直交するように次の取得姿勢を算出する。具体的には、図８に示すように、次の取得位置Ｐ'から現在の取得位置Ｐおよび取得姿勢で得られた計測画像データに対応する取得領域Ｓに向けて現在の取得位置Ｐからこの取得位置Ｐに対応する取得領域Ｓ上の位置Ｒに引かれた線に平行な線を下ろし、この線と取得領域Ｓとが交わる位置Ｒ'を求め、位置Ｒ'を始点とする垂線ベクトルＶ'を算出し、計測ヘッド１の基準軸Ｒaが垂線ベクトルＶ'に一致するまたは平行になる取得姿勢を次の取得姿勢として算出する。ここでは、位置Ｒ'における接平面を算出し、この接平面における法線ベクトルを垂線ベクトルＶ'として求める。
【００３３】
ここで、例えば図８に示すように、現在の取得位置Ｐから次の取得位置Ｐ'に向けて計測走査方向ｄｓに沿ってｘ−ｚ平面上を延びる計測走査経路を表す直線をｌsとし、計測ヘッド１が次の取得位置Ｐ'を僅かに過ぎた計測走査経路ｌs上の位置Ｐ"に位置決めされたとすると、実際の取得位置が位置Ｐ"となるから、現在の取得位置Ｐおよび取得姿勢での計測画像データから求められた次の取得位置での取得姿勢を修正することが好ましい。これは、算出された次の取得位置Ｐ'での取得姿勢が取得位置Ｐ"での取得姿勢に適正でない場合があるからである。この取得姿勢の修正は、次の取得位置Ｐ'と位置Ｐ"とのずれ量に応じて行われる。このように、計測ヘッド１が次の取得位置Ｐ'から僅かに過ぎた位置Ｐ"に位置決めされた場合には、この位置Ｐ"から取得位置Ｐおよび取得姿勢で得られた計測画像データに対応する取得領域Ｓに向けて現在の取得位置Ｐからこの取得位置Ｐに対応する取得領域Ｓ上の位置Ｒに引かれた線に平行な線を下ろし、この線と取得領域Ｓとが交わる位置Ｒ"を求める。次いで、この位置Ｒ"における接平面が算出され、この接平面における法線ベクトルが垂線ベクトルＶ"として求められる。そして、計測ヘッド１の基準軸Ｒaがこの垂線ベクトルＶ"の傾き方向に一致するまたは平行になるように取得位置Ｐ"での取得姿勢が修正される。
【００３４】
次に、各取得領域の内の互いに隣接する２つの取得領域Ｓ，Ｓ'が重なり合う領域部分の面形状を算出する方法の具体例について図９を参照しながら説明する。互いに隣接する２つの取得領域Ｓ，Ｓ'が重なり合う領域部分の面形状を算出する際には、上述したように、互いに隣接する２つの取得領域の面形状を後述する重み係数（Ａ（ｘ、ｙ），Ｂ（ｘ，ｙ））を用いて合成することにより、互いに隣接する２つの取得領域Ｓ，Ｓ'が重なり合う領域部分の面形状を算出する。
【００３５】
本実施の形態では、図９に示すように、互いに隣接する２つの取得領域Ｓ，Ｓ'が重なり合う領域部分として、取得領域Ｓにおける取得位置Ｐに対応する位置Ｒと取得領域Ｓ'における取得位置Ｐ'に対応する位置Ｒ'との間に存在する領域部分（図中の斜線部分）を求め、取得領域Ｓの位置Ｒから領域部分の対象位置までの距離とこの対象位置から他方の取得領域Ｓ'の位置Ｒ'までの距離との比に応じて互いに隣接する２つの取得領域Ｓ，Ｓ'が重なり合う領域部分の面形状を算出する。ここで、対象位置とは、２つの取得領域Ｓ，Ｓ'が互いに重なり合う領域部分上の位置であって、この重なり合う領域部分の面形状を算出する際の候補位置である。取得領域Ｓにおける高さ（ｚ座標）をＡ（ｘ，ｙ）の関数で表し、取得領域Ｓの位置Ｒのｘ−ｙ座標値を（ｘ1，ｙ）とし、取得領域Ｓ'における高さ（ｚ座標）をＢ（ｘ，ｙ）の関数で表し、取得領域Ｓ'の位置Ｒ'のｘ−ｙ座標値を（ｘ2，ｙ）とすると、取得領域Ｓの位置Ｒと取得領域Ｓ'の位置Ｒ'との間に存在する領域部分（図中の斜線部分）の高さ（ｚ座標）は、次の（２）式で表される関数Ｈ（ｘ，ｙ）により得られ、この関数Ｈ（ｘ，ｙ）により取得領域Ｓの位置Ｒと取得領域Ｓ'の位置Ｒ'との間に存在する領域部分（図中の斜線部分）の面形状が求められる。
【００３６】

このように、取得領域Ｓの位置Ｒから領域部分の対象位置までの距離とこの対象位置から他方の取得領域Ｓ'の位置Ｒ'までの距離との比に応じて互いに隣接する２つの取得領域Ｓ，Ｓ'が重なり合う領域部分の面形状を算出するので、互いに隣接する２つの取得領域Ｓ，Ｓ'が重なり合う領域部分における不連続性が解消され、被検面５ａに対する測定結果として、不連続性がない滑らかな面形状を得ることができる。
【００３７】
次に、画像処理制御部８による走査姿勢制御および面形状算出処理の手順について図３および図４を参照しながら説明する。なお、ここでは、上述した取得姿勢の修正を省略して説明する。
【００３８】
画像処理制御部８は、計測動作が開始されると、計測ヘッド１に対する走査姿勢制御タスクと、計測ヘッド１で取得された計測画像データに基づき被検面５ａの面形状を算出するための面形状算出処理タスクとを並行して行う。
【００３９】
走査姿勢制御タスクでは、図３に示すように、まずステップＳ１１において初期化処理を行う。この初期化処理では、計測ヘッド１を初期取得位置に位置決めするための取得位置制御信号、計測ヘッド１を初期取得姿勢に保持するための取得姿勢制御信号を生成する。そして、ステップＳ１２に進み、後述する面形状算出処理タスクにより生成された取得姿勢、取得姿勢の算出に必要なデータを取得する。ここで取得されるデータには、算出された面形状を示すデータが含まれる。また、面形状算出処理タスクから取得するデータには、走査が終了したことに伴い計測ヘッド１を初期取得位置、初期取得姿勢に戻すためのデータが含まれる。
【００４０】
次いで、ステップＳ１３に進み、上記ステップＳ１２において取得されたデータに基づき次の取得位置を算出し、計測ヘッド１における光束の光軸Ｏａと参照面１ｅとの交点の位置が算出された次の取得位置に移動するように移動台２ｃを駆動制御するための取得位置制御信号を生成する。続くステップＳ１４では、上記ステップＳ１２において取得されたデータに基づき次の取得位置での取得姿勢を算出し、計測ヘッド１における基準軸Ｒａが算出された取得姿勢に一致するように対被検面姿勢可変機構３を駆動制御するための取得姿勢制御信号を生成する。
【００４１】
次いで、ステップＳ１５に進み、上記取得位置制御信号を走査ドライバ９に出力する。これにより、走査ドライバ９は、上記取得位置制御信号に基づき計測ヘッド１が次の取得位置に移動するように走査機構２の移動台２ｃを駆動する。続くステップＳ１６では、上記取得姿勢制御信号を対被検面姿勢可変ドライバ１０に出力する。これにより、対被検面姿勢可変ドライバ１０は、上記取得姿勢制御信号に基づき計測ヘッド１における基準軸Ｒａが算出された取得姿勢に一致するように対被検面姿勢可変機構３を駆動する。
【００４２】
次いで、ステップＳ１７に進み、上記ステップＳ１２において面形状算出処理タスクから、走査が終了したことに伴い計測ヘッド１を初期取得位置、初期取得姿勢に戻すためのデータを取得したか否かに応じて走査が終了したか否かを判定し、走査が終了していないときには、上記ステップＳ１２に進み、さらに次の取得位置および取得姿勢を算出するために必要なデータの取得を行う。走査が終了すると、本処理を終了する。
【００４３】
面形状算出処理タスクでは、図４に示すように、まずステップＳ２１において初期化処理を行う。この初期化処理では、計測画像データ、算出された面形状を保持するためのメモリのクリア、計測条件の入力、入力された計測条件に応じた計測ヘッド１の初期取得位置および初期取得姿勢の設定などの処理を行う。
【００４４】
次いで、ステップＳ２２に進み、計測ヘッド１により取得された計測画像データを入力し、続くステップＳ２３で、取得された計測画像データを解析し、該計測画像データに対応する被検面５ａの取得領域の面形状を算出する。この算出された面形状は、予め光学定盤６の光学支持面に規定された三次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）で表され、この座標値（ｘ，ｙ，ｚ）は、メモリに格納される。そして、ステップＳ２４に進み、取得した計測画像データまたは算出された面形状に基づき次の取得位置、取得姿勢の算出に必要なデータを生成し、この生成したデータを走査制御タスクに渡す。ここで、上記ステップＳ２２で取得された計測画像データが最終取得位置での計測画像データであるときには、走査が終了したことになるので、次の取得位置、取得姿勢の算出に必要なデータは、計測ヘッド１を初期取得位置、初期取得姿勢に戻すためのデータとなる。
【００４５】
次いで、ステップＳ２５に進み、上記ステップＳ２２で取得された計測画像データが最終取得位置での計測画像データであるか否かに応じて被検面５ａに対する走査が終了したか否かを判定し、被検面５ａに対する走査が終了していないときには、上記ステップＳ２２に戻り、次の取得位置での計測画像データの取得を行い、上記ステップＳ２３からの処理を繰り返す。これに対し、被検面５ａに対する走査が終了すると、ステップＳ２６に進む。
【００４６】
ステップＳ２６では、取得位置のそれぞれの計測画像データから得られた面形状を有する各取得領域の内の互いに隣接する２つの取得領域が重なり合う領域部分の面形状を算出する。具体的には、互いに隣接する２つの取得領域の面形状から該取得領域のそれぞれから上記領域部分に対応する面形状を合成することにより領域部分の面形状を算出する。続いてステップＳ２７に進み、上記ステップＳ２６で算出された領域部分の面形状を含む被検面５ａ全体の面形状をモニタ１１またはプリンタなどに出力し、そして、本処理を終了する。
【００４７】
このように、本実施の形態では、現在の取得位置および取得姿勢で得られた計測画像データから算出された面形状を用いて次の取得位置を算出し、計測ヘッド１における光束の光軸Ｏaと参照面１ｅの交点位置Ｒ0が算出された次の取得位置に移動するように移動台２ｃを駆動制御するとともに、現在の取得位置および取得姿勢で得られた面形状を用いて次の取得位置での取得姿勢を算出し、計測ヘッド１における基準軸Ｒaが算出された取得姿勢に一致するように対被検面姿勢可変機構３を駆動制御するので、従来のように計測ヘッド１の姿勢制御量を得るための予備計測を行う必要がなく、被検面５ａの面形状の測定に掛かる時間を大幅に短縮化することができる。
【００４８】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について図１０を参照しながら説明する。図１０は本発明の第２の実施の形態に係る走査型広域被検面形状解析装置における計測ヘッドの次の取得位置での取得姿勢の算出方法を模式的に示す図である。
【００４９】
本実施の形態では、図１０に示すように、次の取得位置Ｐ'から取得領域Ｓに向けて延ばした現在の取得位置Ｐからこの取得位置Ｐに対応する取得領域Ｓ上の位置Ｒに引かれた線に平行な線と取得領域Ｓとが交わる位置Ｒ'を求め、位置Ｒ'およびその周囲の近傍位置の三次元座標値に基づき最小二乗法により近似した平面Ｓpを算出し、この近似された平面Ｓpに対する法線ベクトルＶ'を算出し、計測ヘッド１の基準軸Ｒaが法線ベクトルＶ'に一致するまたは平行になる取得姿勢を次の取得姿勢として算出する点で、上述の第１の実施の形態に対して異なる。なお、他の構成については上述の第１の実施の形態と同じであり、その説明は省略する。
【００５０】
このように構成することにより、取得領域Ｓの高周波の凹凸成分に影響されることなく、計測ヘッド１の被検面５ａに対する取得姿勢を表す法線ベクトルＶ'をより高精度に算出することができ、ひいては、次の取得位置Ｐ'において、計測ヘッド１の干渉計の参照面１ｅと対応する被検面の取得領域Ｓ'との平行度をさらに向上させることができる。
【００５１】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について図１１（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。図１１（ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る走査型広域被検面形状解析装置における算出された干渉縞の本数が所定本数以下である場合の計測ヘッドの次の取得位置での取得姿勢の算出方法を模式的に示す図、図１１（ｂ）は本発明の第３の実施の形態に係る走査型広域被検面形状解析装置における算出された干渉縞の本数が所定本数を超えた場合の計測ヘッドの次の取得位置での取得姿勢の算出方法を模式的に示す図である。
【００５２】
本実施の形態では、上述の第１の実施の形態に対して、次の取得位置Ｐ'へ計測ヘッド１を移動した後に、計測ヘッド１の取得姿勢を求める点で異なる。本実施の形態では、上述の第１の実施の形態と異なる点について説明し、上述の第１の実施の形態と同じ構成についての説明は省略する。
【００５３】
本実施の形態においては、図１１（ａ）に示すように、計測ヘッド１が現在の取得位置Ｐから取得位置Ｐでの取得姿勢を保持した状態で次の取得位置Ｐ'へ移動されると、まず、取得位置Ｐ'に対応する被検面５aの取得領域に対する計測画像データが計測ヘッド１により取得され、この取得された計測画像データは、ケーブル８ａを介して画像処理制御装置８に入力される。画像処理制御装置８は、入力された計測画像データが示す干渉縞像ＩGをモニタ１１に表示するように制御するとともに、入力された計測画像データに含まれる干渉縞の本数を算出し、この算出された干渉縞の本数が所定本数（例えば３本）以下であるか否かの判定を行う。ここで、この算出された干渉縞の本数が所定本数以下であると、取得位置Ｐでの取得姿勢を取得位置Ｐ'での取得姿勢とする。そして、取得位置Ｐ'において取得位置Ｐでの取得姿勢に同じ取得姿勢で計測画像データが取得され、この計測画像データに基づき対応する取得領域Ｓ'の面形状が解析、算出される。
【００５４】
これに対し、算出された干渉縞の本数が所定本数を超えるときには、図１１（ｂ）に示すように、取得位置Ｐ'において計測ヘッド１の基準軸Ｒaの傾きおよびその方向を順次可変しながら計測画像データを取得し、計測ヘッド１の基準軸Ｒaの傾きおよびその方向が変わる毎に取得された計測画像データに基づき干渉縞の本数を算出し、この算出された干渉縞の本数が所定本数（例えば３本）以下であるか否かの判定を行う。これらの一連の処理が干渉縞の本数が所定本数以下になるまで繰り返され、干渉縞の本数が所定本数以下になる基準軸Ｒaの傾きおよび方向が得られると、この傾きおよび方向に基準軸Ｒaが保持される。すなわち計測ヘッド１が干渉縞の本数が所定本数以下になる取得姿勢に保持される。そして、この取得姿勢での計測画像データが取得され、この計測画像データに基づき対応する取得領域Ｓ'の面形状が解析、算出される。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光源からの光束を参照面、光学支持面に載置された被検査物の被検面にそれぞれ投射して参照面からの反射光と被検面からの反射光との光学的干渉縞像を発生させる干渉計を内蔵し、該干渉計により発生された光学的干渉縞像を計測画像データとして取得する計測手段と、計測手段における光束の光軸と前記参照面との交点を走査基準位置とし、走査基準位置が計測画像データを取得する際の各取得位置に順次到達するように計測手段を光学支持面と平行に移動させる走査手段と、走査基準位置を始点として光軸に沿って延ばした方向ベクトルを基準軸とし、該基準軸の傾き方向が被検面に対して変わるように計測手段の画像データを取得する際の取得姿勢を可変する姿勢可変手段と、取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データに基づき取得位置および取得姿勢に対応する被検面の取得領域の面形状を解析、算出する面形状解析算出手段と、走査手段と姿勢可変手段とを駆動制御する制御手段とを備え、制御手段は、現在の取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データを用いて次の取得位置を算出し、該算出された次の取得位置での取得姿勢を算出するので、従来のように計測手段の姿勢制御量を得るための予備計測を行う必要がなく、被検面の面形状の測定に掛かる時間を大幅に短縮化することができる。
【００５６】
また、制御手段により、現在の取得位置および取得姿勢での計測画像データから得られた被検面の取得領域の面形状に基づき、現在の取得位置から計測手段の走査方向へ向かう走査線上における該被検面の取得領域の端位置に対応する位置を求め、現在の取得位置から次の取得位置までの直線距離が現在の取得位置から求められた被検面の取得領域の端位置に対応する位置までの直線距離の２倍以内になるように次の取得位置を算出することによって、現在の取得位置に対応する取得領域と次の取得位置に対応する取得領域との間に重なり合う領域が確実に存在し、被検面において未測定領域が生じることをなくすことができる。
【００５７】
さらに、制御手段により、算出された次の取得位置から現在の取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データに対応する被検面の取得領域またはその延長上の領域に向けて引かれた現在の取得位置および取得姿勢での基準軸に平行な線と該取得領域またはその延長上の領域との交点位置での垂線ベクトルを求め、該求められた垂線ベクトルに一致または平行となる基準軸の傾き方向を次の取得位置での取得姿勢とすることによって、次の取得位置において、計測手段の干渉計の参照面と対応する被検査面の取得領域とが略平行になる取得姿勢に計測手段を保持することができる。
【００５８】
さらに、制御手段により、計測手段が次の取得位置に向けて移動された際に該計測手段が移動された位置が算出された次の取得位置と僅かに異なるときには、計測手段が移動された位置から現在の取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データに対応する被検面の取得領域またはその延長上の領域に向けて引かれた現在の取得位置および取得姿勢での基準軸に平行な線と該取得領域またはその延長上の領域との交点位置での垂線ベクトルを求め、該求められた垂線ベクトルに一致または平行となる基準軸の傾き方向を次の取得位置での取得姿勢とすることによって、計測手段が算出された次の取得位置と僅かに異なる位置に移動された際には、計測手段の取得姿勢を修正することができる。
【００５９】
さらに、制御手段により、算出された次の取得位置から現在の取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データに対応する被検面の取得領域に向けて引かれた現在の取得位置および取得姿勢での基準軸に平行な線と該取得領域との交点位置を求め、該求められた交点位置およびその近傍の位置に基づき最小二乗近似平面を算出し、該算出された最小二乗近似平面の法線ベクトルに一致または平行となる基準軸の傾き方向を次の取得位置での取得姿勢とすることによって、取得領域の高周波の凹凸成分に影響されることなく、該取得領域内の面の垂直方向を表す法線ベクトルをより高精度に算出することができる。すなわち、計測手段の干渉計の参照面と対応する被検面の取得領域との平行度をさらに向上させることができる。
【００６０】
さらに、制御手段により、計測手段の次の取得位置への位置決め後に、次の取得位置で取得される計測画像データに基づき該計測画像データにより示される干渉縞の本数を算出し、該算出した干渉縞の本数が所定本数以下となる取得姿勢を次の取得位置での取得姿勢とすることによって、次の取得位置における次の取得姿勢を適正にすることができる。
【００６１】
さらに、面形状解析算出手段は、取得位置のそれぞれでの計測画像データに対応する面形状の取得領域の内の互いに隣接する２つの取得領域が重なり合う領域部分の面形状を算出する中間領域面形状算出機能を有し、中間領域面形状算出機能は、前記互いに隣接する２つの取得領域の面形状を合成することにより前記領域部分の面形状を算出することによって、互いに隣接する２つの取得領域が重なり合う領域部分における不連続性がない滑らかな面形状を得ることができる。
【００６２】
さらに、中間領域面形状算出機能により面形状が算出される領域部分は、互いに隣接する２つの取得領域の内の一方の取得領域における取得位置に対応する第１の位置と他方の取得領域における取得位置に対応する第２の位置との間に存在する領域部分であり、中間領域面形状算出機能は、一方の取得領域の第１の位置と他方の取得領域の第２の位置との間にある対象位置における面形状を算出する際には、一方の取得領域の第１の位置から対象位置までの距離と対象位置から他方の取得領域の第２の位置までの距離との比により規定される重み係数を用いて一方の取得領域の面形状と他方の取得領域の面形状とを合成することにより、対象位置における面形状を算出することによって、互いに隣接する２つの取得領域が重なり合う領域部分における面形状として、不連続性がない滑らかな面形状を得ることができるとともに、その面形状の算出を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1の実施の形態に係る走査型広域被検面形状解析装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１の走査型広域被検面形状解析装置に搭載されている計測ヘッドの構成を示す透視図である。
【図３】図１の走査型広域被検面形状解析装置における走査姿勢制御の手順を示すフローチャートである。
【図４】図１の走査型広域被検面形状解析装置における面形状算出処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】（ａ）は図１の走査型広域被検面解析装置における計測ヘッドの取得位置および取得姿勢と被検面の関係を模式的に示す図である。
（ｂ）は図１の走査型広域被検面解析装置における各取得領域の内の互いに隣接する２つの取得領域が重なり合う領域部分の面形状を合成して算出する方法を模式的に示す図である。
【図６】図１の走査型広域被検面形状解析装置における計測ヘッドの次の取得位置の算出方法を模式的に示す図である。
【図７】図１の走査型広域被検面形状解析装置における計測ヘッドの次の取得位置での取得姿勢の算出方法を模式的に示す図である。
【図８】図１の走査型広域被検面形状解析装置における計測ヘッドの次の取得位置での取得姿勢の算出方法を模式的に示す図である。
【図９】図１の走査型広域被検面形状解析装置における互いに隣接する２つの取得領域が重なり合う領域部分の面形状を算出する方法を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る走査型広域被検面形状解析装置における計測ヘッドの次の取得位置での取得姿勢の算出方法を模式的に示す図である。
【図１１】（ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る走査型広域被検面形状解析装置における算出された干渉縞の本数が所定本数以下である場合の計測ヘッドの次の取得位置での取得姿勢の算出方法を模式的に示す図である。
（ｂ）は本発明の第３の実施の形態に係る走査型広域被検面形状解析装置における算出された干渉縞の本数が所定本数を超えた場合の計測ヘッドの次の取得位置での取得姿勢の算出方法を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１計測ヘッド（計測手段）
２走査機構（走査手段）
３対被検面姿勢可変機構（姿勢可変手段）
５被検査物
５ａ被検面
６光学定盤
７データ取得手段
８画像処理制御装置（面形状解析算出手段、制御手段）
９走査ドライバ（走査手段）
１０対被検面姿勢可変ドライバ（姿勢可変手段）
１１モニタ

Claims

光源からの光束を参照面、光学支持面に載置された被検査物の被検面にそれぞれ投射して前記参照面からの反射光と前記被検面からの反射光との光学的干渉縞像を発生させる干渉計を内蔵し、該干渉計により発生された光学的干渉縞像を計測画像データとして取得する計測手段と、前記計測手段における光束の光軸と前記参照面との交点を走査基準位置とし、前記走査基準位置が前記計測画像データを取得する際の各取得位置に順次到達するように前記計測手段を前記光学支持面と平行に移動させる走査手段と、前記走査基準位置を始点として前記光軸に沿って延ばした方向ベクトルを基準軸とし、該基準軸の傾き方向が前記被検面に対して変わるように前記計測手段の前記画像データを取得する際の取得姿勢を可変する姿勢可変手段と、前記取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データに基づき前記取得位置および取得姿勢に対応する被検面の取得領域の面形状を解析、算出する面形状解析算出手段と、前記走査手段と前記姿勢可変手段とを駆動制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、現在の取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データを用いて次の取得位置を算出し、該算出された次の取得位置での取得姿勢を算出することを特徴とする走査型広域被検面形状解析装置。
前記制御手段は、前記現在の取得位置および取得姿勢での計測画像データから得られた被検面の取得領域の面形状に基づき、前記現在の取得位置から前記計測手段の走査方向へ向かう走査線上における該被検面の取得領域の端位置に対応する位置を求め、前記現在の取得位置から前記次の取得位置までの直線距離が前記現在の取得位置から前記求められた被検面の取得領域の端位置に対応する位置までの直線距離の２倍以内になるように前記次の取得位置を算出することを特徴とする請求項１記載の走査型広域被検面形状解析装置。
前記制御手段は、前記算出された次の取得位置から前記現在の取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データに対応する前記被検面の取得領域またはその延長上の領域に向けて引かれた現在の取得位置および取得姿勢での前記基準軸に平行な線と該取得領域またはその延長上の領域との交点位置での垂線ベクトルを求め、該求められた垂線ベクトルに一致または平行となる基準軸の傾き方向を前記次の取得位置での取得姿勢とすることを特徴とする請求項１または２記載の走査型広域被検面形状解析装置。
前記制御手段は、前記計測手段が前記次の取得位置に向けて移動された際に該計測手段が移動された位置が前記算出された次の取得位置と僅かに異なるときには、前記計測手段が移動された位置から前記現在の取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データに対応する前記被検面の取得領域またはその延長上の領域に向けて引かれた現在の取得位置および取得姿勢での前記基準軸に平行な線と該取得領域またはその延長上の領域との交点位置での垂線ベクトルを求め、該求められた垂線ベクトルに一致または平行となる基準軸の傾き方向を前記次の取得位置での取得姿勢とすることを特徴とする請求項３の走査型広域被検面形状解析装置。
前記制御手段は、前記算出された次の取得位置から前記現在の取得位置および取得姿勢で取得された計測画像データに対応する前記被検面の取得領域に向けて引かれた現在の取得位置および取得姿勢での前記基準軸に平行な線と該取得領域との交点位置を求め、該求められた交点位置およびその近傍の位置に基づき最小二乗近似平面を算出し、該算出された最小二乗近似平面の法線ベクトルに一致または平行となる基準軸の傾き方向を前記次の取得位置での取得姿勢とすることを特徴とする請求項１または２記載の走査型広域被検面形状解析装置。
前記制御手段は、前記計測手段の前記次の取得位置への位置決め後に、該次の取得位置で取得される計測画像データに基づき該計測画像データにより示される干渉縞の本数を算出し、該算出した干渉縞の本数が所定本数以下となる取得姿勢を前記次の取得位置での取得姿勢とすることを特徴とする請求項１または２記載の走査型広域被検面形状解析装置。
前記面形状解析算出手段は、前記取得位置のそれぞれでの計測画像データに対応する面形状の取得領域の内の互いに隣接する２つの取得領域が重なり合う領域部分の面形状を算出する中間領域面形状算出機能を有し、前記中間領域面形状算出機能は、前記互いに隣接する２つの取得領域の面形状を合成することにより前記領域部分の面形状を算出することを特徴とする請求項１記載の走査型広域被検面形状解析装置。
前記中間領域面形状算出機能により面形状が算出される領域部分は、前記互いに隣接する２つの取得領域の内の一方の取得領域における取得位置に対応する第１の位置と他方の取得領域における取得位置に対応する第２の位置との間に存在する領域部分であり、前記中間領域面形状算出機能は、前記一方の取得領域の第１の位置と前記他方の取得領域の第２の位置との間にある対象位置における面形状を算出する際には、前記一方の取得領域の第１の位置から前記対象位置までの距離と前記対象位置から前記他方の取得領域の第２の位置までの距離との比により規定される重み係数を用いて前記一方の取得領域の面形状と前記他方の取得領域の面形状とを合成することにより、前記対象位置における面形状を算出することを特徴とする請求項７記載の走査型広域被検面形状解析装置。