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JPH1068616A - Shape measuring equipment - Google Patents

Shape measuring equipment

Info

Publication number
JPH1068616A
JPH1068616A JP22652296A JP22652296A JPH1068616A JP H1068616 A JPH1068616 A JP H1068616A JP 22652296 A JP22652296 A JP 22652296A JP 22652296 A JP22652296 A JP 22652296A JP H1068616 A JPH1068616 A JP H1068616A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
interference
focus
shape measuring
measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP22652296A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ayumi Hirono
歩 広野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Business Innovation Corp
Original Assignee
Fuji Xerox Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Xerox Co Ltd filed Critical Fuji Xerox Co Ltd
Priority to JP22652296A priority Critical patent/JPH1068616A/en
Publication of JPH1068616A publication Critical patent/JPH1068616A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Ink Jet (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an equipment for measuring the shape of an object by irradiating the object with light and receiving the reflected light thereby requiring a significant measuring time in which measurement accuracy of an inclining face is prevented from lowering by providing an interference light generating means. SOLUTION: The light emitted from a light source 3 and reflected on an object 1 is received at an image pickup section 6 through an enlarging microscopic optical system 5 having shallow depth of focus. When the object 1 has an inclining face, a shade 11 is opened to pass the light to a reference mirror 8 and interference fringes are generated based on a reference light reflected on the reference mirror 8 and the reflected light from the object 1. The image pickup section 6 can produce the image of the inclining face at high contrast by picking up the 0-order interference fringe.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は形状計測装置に関
し、特に、インクジェットプリンタや光通信デバイス等
に用いられる微細な3次元形状部品の表面形状を高速
で、かつ、高精度で計測することのできる形状計測装置
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a shape measuring apparatus, and more particularly, to a high-speed and high-precision measurement of a surface shape of a fine three-dimensional part used for an ink jet printer, an optical communication device, or the like. The present invention relates to a shape measuring device.

【0002】[0002]

【従来技術】近年、電気機器や光通信機器の高機能化、
高性能化が進み、これらに用いられる機能部品の寸法や
形状は、μm単位で微細な3次元形状になっている。例
えば、インクジェットプリンタに使用されるマーキング
ヘッドノズルは、直径およびピッチ間隔が10μm〜1
00μmで、インクの吐出原理に応じて直線や自由曲面
を含む複雑で様々な形状を有している。
2. Description of the Related Art In recent years, electrical equipment and optical communication equipment have become more sophisticated.
The performance and performance have been improved, and the dimensions and shapes of the functional components used in these have become fine three-dimensional shapes in units of μm. For example, a marking head nozzle used in an ink jet printer has a diameter and a pitch interval of 10 μm to 1 μm.
It has a complicated and various shape including a straight line and a free-form surface according to the ink ejection principle.

【0003】このような機能部品の検査では、一般に、
光学顕微鏡を用いた目視による加工精度の計測が行われ
ている。しかし、目視による計測は、観察者の習熟度等
によって測定のバラつきを生じることから、高い計測精
度が得られないという問題がある。
In the inspection of such functional components, generally,
Processing accuracy is visually measured using an optical microscope. However, the visual measurement has a problem in that high measurement accuracy cannot be obtained because the measurement varies depending on the proficiency of the observer and the like.

【0004】かかる問題を解決するものとして、光学機
器を組み合わせて微細な3次元形状を高精度で計測する
形状計測装置が提案されており、例えば、共焦点の原理
を用いた特開平7−113617号公報に開示されるも
のがある。
As a solution to this problem, there has been proposed a shape measuring apparatus for measuring a fine three-dimensional shape with high accuracy by combining optical devices. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-113617 using the confocal principle has been proposed. Is disclosed in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2000-205,878.

【0005】図18は、特開平7−113617号公報
に開示される従来の形状計測装置を示し、レーザパワー
制御回路24から供給される駆動電流に基づいてレーザ
ビームを出射するレーザダイオード25と、レーザビー
ムを平行光にするコリメータレンズ27と、平行光を計
測対象物29に投影する対物レンズ28と、計測対象物
29からの反射光を分離するビームスプリッタ26と、
ピンホール30aを有する光絞り部30と、ビームスプ
リッタ26の反射光をピンホール30aを介して受光し
て受光強度に応じた電気信号を出力するホトダイオード
31と、ホトダイオード31から出力される電気信号を
増幅する増幅器32と、対物レンズ28の周縁部分に一
方の振動端を接触させて配置される音叉34と、音叉3
4の他方の振動端に設けられる振幅検出器35と、振幅
検出器35から出力される電気信号を増幅する増幅器3
6と、音叉振幅制御回路38から供給される制御電流に
基づいて音叉34を振動させるソレノイド37と、演算
部33の出力に基づいて計測対象物29の表面の変位を
計測する距離変換部39を有する。
FIG. 18 shows a conventional shape measuring apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-113617, in which a laser diode 25 for emitting a laser beam based on a driving current supplied from a laser power control circuit 24, A collimator lens 27 that converts the laser beam into parallel light, an objective lens 28 that projects the parallel light onto the measurement target 29, a beam splitter 26 that separates reflected light from the measurement target 29,
An optical aperture unit 30 having a pinhole 30a, a photodiode 31 that receives the reflected light of the beam splitter 26 via the pinhole 30a and outputs an electric signal corresponding to the received light intensity, and an electric signal output from the photodiode 31 An amplifier 32 for amplifying; a tuning fork 34 arranged with one vibrating end in contact with a peripheral portion of the objective lens 28;
4, an amplitude detector 35 provided at the other vibrating end, and an amplifier 3 for amplifying an electric signal output from the amplitude detector 35.
6, a solenoid 37 for vibrating the tuning fork 34 based on the control current supplied from the tuning fork amplitude control circuit 38, and a distance conversion unit 39 for measuring the displacement of the surface of the measurement object 29 based on the output of the calculation unit 33. Have.

【0006】この形状計測装置によると、音叉34の振
動に基づいて対物レンズ28を光軸方向に光束で振動さ
せて合焦点が生じたときの対物レンズ28の位置から計
測対象物29までの距離を求めている。従って、レーザ
ビームを平面内に2次元的に走査することによって計測
対象物29の3次元形状を得ることができる。
According to this shape measuring device, the distance from the position of the objective lens 28 to the object 29 to be measured when the objective lens 28 is vibrated by the light beam in the direction of the optical axis based on the vibration of the tuning fork 34 and a focal point is generated. Seeking. Therefore, the three-dimensional shape of the measurement target 29 can be obtained by scanning the laser beam two-dimensionally in a plane.

【0007】図19は、非点収差法に基づいて計測対象
物の3次元形状を計測する他の構成を示し、図19
(a)に示すようにレーザ光源(図示せず)から出射さ
れ、計測対象物(図示せず)で反射されたレーザビーム
40を集光する集光レンズ41と、集光されたレーザビ
ームを4分割受光素子43に投影する円筒レンズ42よ
り構成される。
FIG. 19 shows another configuration for measuring the three-dimensional shape of the object to be measured based on the astigmatism method.
As shown in (a), a condenser lens 41 for condensing a laser beam 40 emitted from a laser light source (not shown) and reflected on a measurement object (not shown), and a condensed laser beam It is composed of a cylindrical lens 42 that projects onto the four-divided light receiving element 43.

【0008】計測対象物の表面に高さの変化があると、
レーザ光源から4分割受光素子43にかけての光路長が
変化することから結像位置の変動が生じる。4分割受光
素子43より前方で焦点を結ぶときは、図19(b)に
示すように縦長の長円形を有するビームスポット44a
が4分割受光素子43に投影される。また、4分割受光
素子43上で焦点を結ぶときは、図19(c)に示すよ
うに円形のビームスポット44bが4分割受光素子43
に投影される。また、4分割受光素子43より後方で焦
点を結ぶときは、図19(d)に示すように横長の長円
形を有するビームスポット44cが4分割受光素子43
に投影される。
If there is a change in height on the surface of the object to be measured,
Since the optical path length from the laser light source to the four-division light receiving element 43 changes, the imaging position fluctuates. When focusing is performed in front of the four-segment light receiving element 43, as shown in FIG.
Is projected onto the four-divided light receiving element 43. When focusing is performed on the four-segment light receiving element 43, a circular beam spot 44b is formed as shown in FIG.
Projected to When focusing is performed behind the four-segment light receiving element 43, the beam spot 44c having a horizontally long oval is formed as shown in FIG.
Projected to

【0009】このようにビームスポットが楕円状になる
と、4分割受光素子43の4つの素子から出力される電
気信号に差が生じる。この電気信号の差に基づいて4分
割受光素子43と計測対象物(図示せず)との距離が求
められる。従って、レーザビームを平面内に2次元的に
走査することによって計測対象物(図示せず)の3次元
形状を得ることができる。
When the beam spot has an elliptical shape as described above, a difference occurs between the electric signals output from the four elements of the four-divided light receiving element 43. The distance between the four-divided light receiving element 43 and the measurement object (not shown) is obtained based on the difference between the electric signals. Therefore, a three-dimensional shape of the measurement object (not shown) can be obtained by scanning the laser beam two-dimensionally in a plane.

【0010】しかし、上記した2つの形状計測装置は、
計測対象物にレーザビームを2次元的に走査して3次元
形状を得ているので、計測領域が広範囲に及ぶと計測に
膨大な時間を要するという問題がある。
[0010] However, the above two shape measuring devices are:
Since a three-dimensional shape is obtained by two-dimensionally scanning a measurement object with a laser beam, there is a problem that an enormous amount of time is required for measurement when the measurement area is wide.

【0011】かかる問題を解決するものとして、計測対
象物で反射された反射光と参照面で反射された参照光に
基づいて干渉縞を形成し、計測対象物を高さ方向に変化
させたときの輝度情報から計測対象物の3次元形状を面
一括で計測する干渉型の形状計測装置が、例えば、特開
平1−288702号公報に開示されている。
In order to solve such a problem, an interference fringe is formed based on the reflected light reflected by the measurement object and the reference light reflected by the reference surface, and the measurement object is changed in the height direction. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 1-288702 discloses an interference-type shape measuring apparatus that collectively measures the three-dimensional shape of an object to be measured from the luminance information of the object.

【0012】図20は、特開平1−288702号公報
に開示される従来の形状計測装置を示し、干渉性の悪い
光を照射する光源45と、光源45から照射される光を
反射光と透過光に分割し、反射光を計測対象物46に照
射するハーフミラー47と、ハーフミラー47の透過光
を反射して参照光を生成する参照鏡48と、ハーフミラ
ー47の透過側に設けられる対物レンズ49と、対物レ
ンズ49を介して計測対象物46の表面を撮像するテレ
ビカメラ50と、撮像された計測対象物46の表面を表
示するテレビモニタ51と、テレビカメラ50から入力
する画像信号の演算および画像合成を行う画像合成回路
52とを有する。
FIG. 20 shows a conventional shape measuring apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-288702, in which a light source 45 for irradiating light with poor coherence and a light emitted from the light source 45 are reflected and transmitted. A half mirror 47 that divides the light into light and irradiates the measurement object 46 with reflected light, a reference mirror 48 that reflects light transmitted through the half mirror 47 to generate reference light, and an objective provided on the transmission side of the half mirror 47 A lens 49, a television camera 50 for imaging the surface of the measurement object 46 via the objective lens 49, a television monitor 51 for displaying the imaged surface of the measurement object 46, and an image signal input from the television camera 50. An image synthesis circuit 52 that performs calculation and image synthesis.

【0013】この干渉型の形状計測装置によると、計測
対象物46からの反射光と参照鏡48で反射された参照
光をハーフミラー47で合成してテレビカメラ50で撮
像する。このとき、参照鏡48をP0 からP1 ,P2
で移動させる間で反射光と参照光の光路長が一致した位
置に反射強度の最も強い干渉縞(以下、0次フリンジと
いう)が画像として得られることから、0次フリンジの
発生している位置を画素毎に高さ位置情報として入力し
ている。図において、参照鏡48がP1 の位置にあると
き、Bで示す位置に干渉縞が形成されているように観察
される。従って、参照鏡48を光軸方向に移動させるこ
とで入力される高さ位置情報から3次元形状を得ること
ができる。
According to this interference type shape measuring device, the reflected light from the measuring object 46 and the reference light reflected by the reference mirror 48 are combined by the half mirror 47 and imaged by the television camera 50. At this time, while moving the reference mirror 48 from P 0 to P 1 and P 2 , an interference fringe having the highest reflection intensity (hereinafter referred to as a zero-order fringe) is displayed at a position where the optical path lengths of the reflected light and the reference light match. Therefore, the position where the zero-order fringe occurs is input as height position information for each pixel. In the figure, reference mirror 48 when in the position of P 1, the interference fringes at the position indicated by B is observed as being formed. Therefore, a three-dimensional shape can be obtained from the height position information input by moving the reference mirror 48 in the optical axis direction.

【0014】また、拡大顕微鏡光学系を通した画像を微
小な処理単位に分割し、画像のぼけ具合から合焦の度合
い(以下、合焦度という)を測定し、この測定結果に基
づいて3次元形状を得る合焦度測定型の形状計測装置が
精密機械工学会誌Vol.60 No.8,1994
「画像処理による長焦点深度光学顕微鏡画像の合成」に
開示されている。
Further, the image passed through the magnifying microscope optical system is divided into minute processing units, and the degree of focusing (hereinafter referred to as the degree of focusing) is measured from the degree of blurring of the image. A focus measurement type shape measuring device for obtaining a three-dimensional shape is disclosed in Journal of Precision Mechanical Engineering Vol. 60 No. 8, 1994
It is disclosed in "Synthesis of long depth of focus optical microscope image by image processing".

【0015】この合焦度測定型の形状計測装置による
と、計測対象物を高さ方向に上下させて、最も合焦度が
高くなった位置を合焦点と見なして高さ位置情報を得て
いる。
According to this focusing degree measuring type shape measuring apparatus, the object to be measured is moved up and down in the height direction, and the position where the degree of focusing is highest is regarded as the focal point, and height position information is obtained. I have.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の干渉型
の形状計測装置によると、参照鏡を光軸方向に移動させ
ることによって計測対象物からの反射光と光路長を一致
させているため、参照鏡の移動量や傾きを高精度で調節
する必要があり、操作が煩雑になるとともに調整に時間
を要するという問題がある。
However, according to the conventional interference type shape measuring device, the reference mirror is moved in the direction of the optical axis so that the reflected light from the object to be measured and the optical path length are matched. It is necessary to adjust the moving amount and the tilt of the reference mirror with high accuracy, and there is a problem that the operation becomes complicated and the adjustment requires time.

【0017】また、合焦度測定型の形状計測装置による
と、処理単位の範囲内に傾斜面があると拡大顕微鏡光学
系で観察される反射光が弱くなるため、明確な合焦点を
特定することが困難になるという問題がある。従って、
本発明の目的は傾斜面を含む計測対象物の3次元形状を
高速で、かつ、高精度で測定することのできる形状計測
装置を提供することにある。
Further, according to the shape measuring apparatus of the focusing degree measuring type, if there is an inclined surface in the range of the processing unit, the reflected light observed by the magnifying optical system becomes weak, so that a clear focusing point is specified. There is a problem that it becomes difficult. Therefore,
An object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus capable of measuring a three-dimensional shape of a measurement object including an inclined surface at high speed and with high accuracy.

【0018】本発明の他の目的は、干渉光発生手段とし
ての参照鏡を設ける一方で、その使用頻度を抑えた形状
計測装置を提供することにある。
It is another object of the present invention to provide a shape measuring apparatus in which a reference mirror is provided as interference light generating means, but the frequency of use of the reference mirror is reduced.

【0019】本発明の他の目的は、合焦度判定手段の傾
斜面の判定精度の低下を排した形状計測装置を提供する
ことにある。
Another object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus which eliminates a decrease in the accuracy of determination of an inclined surface by a focus degree determining means.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するため、計測対象物に光を照射し、前記計測対象
物の反射光に基づいて前記計測対象物の3次元形状を計
測する形状計測装置において、前記計測対象物を照射す
る前記光を出射する光源と、前記3次元形状の計測精度
以下の焦点深度を有し、前記計測対象物に前記光を導光
するとともに前記反射光を所定の方向に導光する光学手
段と、前記計測対象物を載置し、前記光学手段の光軸方
向に前記計測精度以下の単位移動量で前記計測対象物を
所定の移動量にわたって移動させる光軸方向走査ステー
ジと、前記反射光と干渉する干渉光を発生する干渉光発
生手段と、前記所定の方向に位置し、前記反射光、ある
いは前記反射光と前記干渉光との干渉によって生じた干
渉縞を受けて前記3次元形状を計測する形状計測装置を
提供する。
In order to achieve the above object, the present invention irradiates a measuring object with light and measures a three-dimensional shape of the measuring object based on reflected light of the measuring object. In the shape measuring device, a light source that emits the light that irradiates the measurement target has a depth of focus equal to or less than the measurement accuracy of the three-dimensional shape, and guides the light to the measurement target and the reflected light. Optical means for guiding the object in a predetermined direction and the object to be measured are placed, and the object to be measured is moved in the optical axis direction of the optical means by a unit movement amount equal to or less than the measurement accuracy over a predetermined movement amount. An optical axis direction scanning stage, interference light generating means for generating interference light that interferes with the reflected light, and located in the predetermined direction, the interference light being generated by interference between the reflected light or the reflected light and the interference light Receiving interference fringes Providing a shape measuring device for measuring the dimension shape.

【0021】上記の形状計測装置において、光学手段
は、高開口数のレンズを用いた拡大顕微光学系であるこ
とが好ましい。形状計測手段は、計測対象物が傾斜面を
含むとき、反射光と干渉光との干渉によって生じた干渉
縞を受けて3次元形状を計測する構成であっても良く、
あるいは計測対象物が傾斜面を含まないとき、反射光を
受けて3次元形状を計測する構成としても良い。また、
形状計測手段は、反射光、あるいは干渉縞を受けて2次
元の画像信号を出力する受光素子アレイと、光軸方向走
査ステージが単位移動量だけ移動する度に受光素子アレ
イを所定数に分割したブロック毎に合焦度を演算する演
算部と、合焦度を閾値と比較して合焦点の有無を判定す
る判定部と、判定部によって合焦点として判定された2
次元の位置を単位移動量に基づいて光軸方向に分布させ
ることによって計測対象物の3次元形状を再現する形状
構成部を含む構成であっても良い。光軸方向走査ステー
ジおよび干渉光発生手段は、予め記憶手段に格納された
位置情報テーブルに基づいて計測開始時の初期位置が決
められる構成とすることが好ましい。
In the above-described shape measuring apparatus, the optical means is preferably an enlarged microscope optical system using a lens with a high numerical aperture. The shape measuring means may be configured to measure a three-dimensional shape by receiving interference fringes generated by interference between reflected light and interference light when the measurement target includes an inclined surface,
Alternatively, when the measurement object does not include an inclined surface, a configuration may be adopted in which reflected light is received to measure a three-dimensional shape. Also,
The shape measuring means divides the light receiving element array for outputting a two-dimensional image signal in response to the reflected light or interference fringe and a predetermined number of light receiving element arrays each time the optical axis direction scanning stage moves by a unit movement amount. A calculation unit that calculates the degree of focus for each block, a determination unit that determines the presence or absence of a focus by comparing the degree of focus with a threshold, and 2 that is determined as a focus by the determination unit.
A configuration including a shape configuration unit that reproduces the three-dimensional shape of the measurement object by distributing the dimensional position in the optical axis direction based on the unit movement amount may be employed. It is preferable that the optical axis scanning stage and the interference light generating means have a configuration in which an initial position at the start of measurement is determined based on a position information table stored in the storage means in advance.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の形状計測装置を図
面を参照しつつ説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a shape measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.

【0023】図1は、本発明の実施の形態における形状
計測装置を示し、計測対象物1を搭載する試料台2と、
白色光を発生するハロゲンランプ等の光源3と、光源3
で発生した光を反射して計測対象物1に照射するハーフ
ミラー4と、焦点深度が浅く、高開口数の対物レンズで
構成される拡大顕微光学系5と、計測対象物1で反射さ
れた反射光を受光するCCDカメラ等の撮像部6と、計
測対象物1および試料台2をZ方向に変位させる計測対
象物走査ステージ7と、干渉計測時にハーフミラー4を
介して入射する白色光を反射して参照光を生成する参照
鏡8と、参照鏡8を光軸方向に変位させる参照鏡走査ス
テージ9と、白色光を参照鏡8に集光する集光レンズ1
0と、参照鏡8の設けられる干渉光光路を遮断する遮光
板11を有し、遮光板11を開放することで干渉計測が
可能になる。
FIG. 1 shows a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
A light source 3 such as a halogen lamp for generating white light;
The half mirror 4 for reflecting the light generated in the above and irradiating the object to be measured 1, the enlarged microscope optical system 5 having a shallow depth of focus and an objective lens having a high numerical aperture, and the reflected light from the object 1 to be measured An imaging unit 6 such as a CCD camera that receives reflected light, a measurement target scanning stage 7 that displaces the measurement target 1 and the sample stage 2 in the Z direction, and a white light that enters through the half mirror 4 during interference measurement. A reference mirror 8 that reflects to generate reference light, a reference mirror scanning stage 9 that displaces the reference mirror 8 in the optical axis direction, and a condenser lens 1 that condenses white light on the reference mirror 8
0 and a light-shielding plate 11 that blocks an interference light path on which the reference mirror 8 is provided. By opening the light-shielding plate 11, interference measurement becomes possible.

【0024】計測対象物1は、Z方向に高さ目盛り(図
示せず)を有しており、この高さ目盛りは撮像時に後述
する高さ位置として認識される。
The measuring object 1 has a height scale (not shown) in the Z direction, and this height scale is recognized as a height position described later at the time of imaging.

【0025】計測対象物走査ステージ7の送り精度は、
Z方向の計測精度で決定されるものであり、計測精度と
同等か、あるいは計測精度の10分の1の送り量とする
ことが好ましい。例えば、1μm単位のZ方向の計測精
度では0.1μmの送りピッチとすることが好ましく、
高減速器付きモータ等によって実現できる。
The feeding accuracy of the object scanning stage 7 is as follows.
It is determined by the measurement accuracy in the Z direction, and it is preferable that the feed amount is equal to the measurement accuracy or 1/10 of the measurement accuracy. For example, it is preferable to set the feed pitch to 0.1 μm in the measurement accuracy in the Z direction in units of 1 μm,
It can be realized by a motor with a high reduction gear.

【0026】参照鏡走査ステージ9の送り精度は、Z方
向の計測精度で決定されるものであり、計測精度と同等
か、あるいは計測精度の10分の1の送り量とすること
が好ましい。例えば、1μm単位のZ方向の計測精度で
は0.1μmの送りピッチとすることが好ましく、圧電
素子等によるリニアアクチュエータ等によって実現でき
る。
The feeding accuracy of the reference mirror scanning stage 9 is determined by the measuring accuracy in the Z direction, and is preferably equal to the measuring accuracy or is set to be one tenth of the measuring accuracy. For example, a feed pitch of 0.1 μm is preferable for measurement accuracy in the Z direction in units of 1 μm, and can be realized by a linear actuator or the like using a piezoelectric element or the like.

【0027】図2は、本発明の実施の形態における形状
計測装置の制御ブロックを示し、撮像部6から入力する
撮像データに基づいて形状計測を実行する計測制御部1
2と、計測対象物1の形状および寸法に応じて設定され
た計測対象物走査ステージ7および参照鏡走査ステージ
9の位置情報テーブル、および計測された計測対象物1
の高さ位置を格納するRAM13と、撮像部6から入力
する撮像データを512×512画素に分割して収容す
るフレームメモリ14と、計測対象物1の撮像データを
縦横ともに数画素のブロックに分割した画像ブロックの
合焦度を演算する合焦演算部15と、合焦を判定して画
像ブロックの平面内位置(x,y)およびZ方向の高さ
目盛りを高さ位置として出力する合焦判定部16と、合
焦の判定された高さ位置をZ方向に累積して計測対象物
1の3次元形状を再現する形状構成部17と、計測制御
部12から出力される制御信号に基づいて参照鏡走査ス
テージ9に駆動電圧を供給する走査ステージ駆動回路1
8と、計測制御部12から出力される制御信号に基づい
て計測対象物走査ステージ7に駆動電圧を供給する走査
ステージ駆動回路19より構成されている。
FIG. 2 shows a control block of the shape measuring apparatus according to the embodiment of the present invention, and a measurement control unit 1 for executing shape measurement based on image data input from an image pickup unit 6.
2, the position information table of the measurement object scanning stage 7 and the reference mirror scanning stage 9 set according to the shape and size of the measurement object 1, and the measured measurement object 1
, A frame memory 14 for storing image data input from the image pickup unit 6 by dividing the image data into 512 × 512 pixels, and dividing the image data of the measurement target 1 into blocks of several pixels both vertically and horizontally. A focus calculating unit 15 for calculating the degree of focus of the image block obtained, and a focus for determining the focus and outputting the in-plane position (x, y) and the height scale in the Z direction of the image block as the height position. The determination unit 16, a shape configuration unit 17 that accumulates the height positions determined to be in focus in the Z direction to reproduce the three-dimensional shape of the measurement target 1, and a control signal output from the measurement control unit 12. Scanning stage drive circuit 1 that supplies a drive voltage to reference mirror scanning stage 9
8, and a scanning stage drive circuit 19 that supplies a drive voltage to the measurement object scanning stage 7 based on a control signal output from the measurement control unit 12.

【0028】図3は、干渉計測を行わないときの形状計
測プロセスを示すフローチャートであり、以下、フロー
チャートに基づいて、本発明の実施の形態における形状
計測装置の動作を説明する。
FIG. 3 is a flowchart showing a shape measuring process when interference measurement is not performed. Hereinafter, the operation of the shape measuring apparatus according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart.

【0029】まず、計測対象物1を試料台2に搭載して
概略的な形状および寸法を入力し、計測開始を指示する
と、計測制御部12は、RAM13に格納されている位
置情報テーブルに基づいて走査ステージ駆動回路19に
制御信号を出力し、走査ステージ駆動回路19から計測
対象物走査ステージ7に制御信号に応じた駆動電圧が供
給されて計測対象物1が所定の位置に位置決めされる。
この位置決めの後、計測対象物走査ステージ7をZ方向
に移動させて微調整を行い、高さ目盛0に一致させてか
ら計測を開始する。(ステップS1 )。
First, the measurement object 1 is mounted on the sample table 2, a schematic shape and dimensions are input, and when a measurement start is instructed, the measurement control unit 12 performs the operation based on the position information table stored in the RAM 13. Then, a control signal is output to the scanning stage drive circuit 19, and a drive voltage according to the control signal is supplied from the scan stage drive circuit 19 to the measurement target scanning stage 7, and the measurement target 1 is positioned at a predetermined position.
After the positioning, the measurement object scanning stage 7 is moved in the Z direction to perform fine adjustment, and measurement is started after the height adjustment is made to coincide with the height scale 0. (Step S1).

【0030】次に、遮光板11で参照鏡8の設けられる
干渉光光路を閉じた状態で光源3を点灯して、ハーフミ
ラー4を介して白色光を計測対象物1に照射し、拡大顕
微光学系5を介して撮像部6で計測対象物1からの反射
光を撮像する(ステップS2)。
Next, the light source 3 is turned on in a state where the interference light path on which the reference mirror 8 is provided is closed by the light shielding plate 11, and the object 1 is irradiated with white light via the half mirror 4 to enlarge the microscope. The reflected light from the measurement object 1 is imaged by the imaging unit 6 via the optical system 5 (step S2).

【0031】図4は、拡大顕微光学系5による撮像動作
を示し、例えば、図4(a)に示すように、円錐状の突
起を有する計測対象物20をZ方向に計測する場合につ
いて説明する。計測対象物20の突起には等高線20a
〜20dが記されており、焦点深度dが深い対物レンズ
でZ方向から観察すると、図4(b)に示すような等高
線配置となる。
FIG. 4 shows an image pickup operation by the magnifying microscope optical system 5. For example, as shown in FIG. 4A, a case where a measurement object 20 having a conical protrusion is measured in the Z direction will be described. . Contour lines 20a are projected on the projection of the measurement object 20.
When the objective lens having a large depth of focus d is observed from the Z direction, a contour line arrangement as shown in FIG. 4B is obtained.

【0032】拡大顕微光学系5は、焦点深度dの浅い高
開口数の対物レンズで構成されており、計測対象物1を
撮像部6で撮像すると、焦点深度dの範囲について明瞭
な画像が得られる。図4(c)は、拡大顕微光学系5の
焦点深度dの範囲に等高線20aが位置する状態で撮像
された画像を示し、焦点深度dの範囲における等高線だ
けが明瞭に撮像され、その他の部分は不明瞭となる。従
って、計測対象物1をZ方向に変位させると、図4
(d),(e)に示すように焦点深度dの範囲において
の明瞭な画像を得ることができ、Z方向の高さ位置の定
量化が可能になる。
The magnifying optical system 5 is composed of a high numerical aperture objective lens having a shallow depth of focus d. When the object 1 to be measured is imaged by the imaging section 6, a clear image can be obtained in the range of the depth of focus d. Can be FIG. 4C shows an image captured in a state where the contour line 20a is located in the range of the depth of focus d of the enlarged microscope optical system 5. Only the contour lines in the range of the depth of focus d are clearly captured, and other parts are shown. Becomes ambiguous. Therefore, when the measurement object 1 is displaced in the Z direction, FIG.
As shown in (d) and (e), a clear image in the range of the depth of focus d can be obtained, and the height position in the Z direction can be quantified.

【0033】拡大顕微光学系5を構成する対物レンズの
開口数は、Z方向に必要な定量化の精度に基づいて決定
される。例えば、1μm単位のZ方向の計測精度が要求
される場合には、焦点深度が1μm以下となる開口数
0.7以上の対物レンズを用いることが好ましく、この
開口数において光学倍率は50倍から100倍程度とな
り、計測領域としては50×50μmから100×10
0μmの範囲となる。
The numerical aperture of the objective lens constituting the magnifying microscope optical system 5 is determined based on the quantification accuracy required in the Z direction. For example, when measurement accuracy in the Z direction in units of 1 μm is required, it is preferable to use an objective lens having a numerical aperture of 0.7 or more that has a depth of focus of 1 μm or less. It is about 100 times, and the measurement area is 50 × 50 μm to 100 × 10
The range is 0 μm.

【0034】図5は、撮像部6で撮像された計測対象物
1の反射光に基づく画像を示し、図5(a)に示すよう
に、フレームメモリ14には撮像部6の各画素の輝度情
報(Xi ,Yi )が格納され、この輝度情報(Xi ,Y
i )は、更に、図5(b)示すようにX,Y方向に対応
したx,y方向にそれぞれ5画素で構成される画像ブロ
ック14Aに分割される。合焦演算部15は、画像ブロ
ック14Aに基づいて合焦度を演算する。
FIG. 5 shows an image based on the reflected light of the measurement object 1 imaged by the image pickup unit 6. As shown in FIG. 5A, the frame memory 14 stores the luminance of each pixel of the image pickup unit 6. Information (X i , Y i ) is stored, and the luminance information (X i , Y i ) is stored.
i ) is further divided into image blocks 14A each composed of five pixels in the x and y directions corresponding to the X and Y directions as shown in FIG. 5B. The focus calculation unit 15 calculates the degree of focus based on the image block 14A.

【0035】撮像部6で撮像された計測対象物1の画像
は、焦点深度dの範囲にあって焦点が合っている部分の
空間周波数が高くなっており、一方、焦点の合っていな
い部分の空間周波数が低くなっている。このことから、
本実施の形態では高い空間周波数成分を抽出するフィル
タとして2次微分であるラプラシアンフィルタを用いて
合焦度を演算する。
The image of the measurement object 1 captured by the image capturing section 6 has a high spatial frequency in a focused portion in the range of the depth of focus d, while an unfocused portion has a high spatial frequency. Spatial frequency is low. From this,
In the present embodiment, the degree of focus is calculated using a Laplacian filter which is a second derivative as a filter for extracting a high spatial frequency component.

【0036】図6は、3行3列の正方行列からなるラプ
ラシアンフィルタを用いた合焦度の演算プロセスを示
し、ラプラシアンフィルタL8 (i,j)と画像ブロッ
ク14Aの輝度値データ行列14Bとを行列演算するこ
とによって、2次微分画像21とその輝度値データ21
Aが得られる。この2次微分画像21の行方向および列
方向の各画素の総和値21Bが合焦度となる。総和値2
1Bが大きいほど合焦点に近いことを示す(ステップS
3 )。
FIG. 6 shows a calculation process of the degree of focus using a Laplacian filter composed of a square matrix of 3 rows and 3 columns. The Laplacian filter L 8 (i, j), the luminance value data matrix 14B of the image block 14A, and Is subjected to a matrix operation to obtain a second derivative image 21 and its luminance value data 21
A is obtained. The total sum 21B of the pixels in the row direction and the column direction of the secondary differential image 21 is the degree of focus. Sum value 2
The larger the value of 1B, the closer to the focal point (step S).
3).

【0037】次に、合焦演算部15において演算された
各画像ブロックの合焦度は、合焦判定部18に出力され
て合焦の判定が行われる。計測対象物1からの反射光に
は、散乱光等による画像ノイズが含まれることが多いた
め、合焦判定部18では画像ノイズによる擬似合焦点を
拾わないように予め閾値を設定し、閾値を超えた高さ位
置だけを抽出する。この閾値は、予め実験的に計測対象
物1の反射光特性等を分析した結果に基づいて適切に設
定される(ステップS4 )。
Next, the degree of focus of each image block calculated by the focus calculation unit 15 is output to the focus determination unit 18 to determine focus. Since the reflected light from the measurement object 1 often includes image noise due to scattered light or the like, the focus determination unit 18 sets a threshold value in advance so as not to pick up a pseudo-focus point due to the image noise, and sets the threshold value. Extract only the height position that exceeds. This threshold is appropriately set based on the result of experimentally analyzing the reflected light characteristics and the like of the measurement object 1 in advance (step S4).

【0038】図7は、計測対象物1の断面形状と各画像
ブロックにおける高さ位置の変化を示し、画像ブロック
1 からx4 にかけて計測対象物1の断面の高さが変化
している。高さ位置の目盛に設けられる矢印dは焦点深
度の範囲を示す。
[0038] Figure 7 shows the change in height position in the cross-sectional shape and each image block of the measurement object 1, the height of the cross section of the measurement object 1 is changed from the image block x 1 toward x 4. The arrow d provided on the scale at the height position indicates the range of the depth of focus.

【0039】図8は、画像ブロックx1 からx4 の高さ
位置0から6にかけての合焦度を示し、(a)は画像ブ
ロックx1 、(b)は画像ブロックx2 、(c)は画像
ブロックx3 、(d)は画像ブロックx4 の合焦度を示
している。
[0039] Figure 8 shows the degree of focus from the image block x 1 toward the height position 0 of the x 4 6, (a) an image block x 1, the (b) is an image block x 2, (c) Indicates the image block x 3 , and (d) indicates the degree of focus of the image block x 4 .

【0040】高さ位置3において、図8(a)、(b)
に示すように画像ブロックx1 とx 2 が閾値Sを超えて
いるので、画像ブロックx1 とx2 の高さ位置は3と判
定される。判定された画像ブロックx1 とx2 の合焦度
はRAM13に格納される。
At the height position 3, FIGS. 8A and 8B
Image block x as shown in1And x TwoExceeds the threshold S
So, image block x1And xTwoHeight position is 3
Is determined. Determined image block x1And xTwoFocus degree
Are stored in the RAM 13.

【0041】次に、計測対象物走査ステージ7を撮像部
6の方向と反対方向に計測精度に応じて変位させてステ
ップS2 ,S3 およびS4 を実行し、高さ位置4におけ
る合焦の判定を行う。
Next, the object scanning stage 7 is displaced in the direction opposite to the direction of the imaging section 6 in accordance with the measurement accuracy, and the steps S2, S3 and S4 are executed, and the focus determination at the height position 4 is determined. Do.

【0042】高さ位置4において、図8(b)、(c)
に示すように画像ブロックx2 とx 3 が閾値Sを超えて
いる。画像ブロックx2 は、高さ位置3でも閾値を超え
ているが、高さ位置4の合焦度が大きいので、画像ブロ
ックx2 の高さ位置は4と判定される。また、画像ブロ
ックx3 が閾値Sを超えているので、画像ブロックx 3
の高さ位置は4と判定される。判定された画像ブロック
2 とx3 の合焦度はRAM13に格納される。
At the height position 4, FIGS. 8B and 8C
Image block x as shown inTwoAnd x ThreeExceeds the threshold S
I have. Image block xTwoExceeds the threshold even at height position 3
However, since the degree of focus at height position 4 is large,
Cook xTwoIs determined to be 4. Also,
Cook xThreeExceeds the threshold value S, the image block x Three
Is determined to be 4. The determined image block
xTwoAnd xThreeIs stored in the RAM 13.

【0043】このように、計測対象物走査ステージ7を
Z方向に変位させてステップS2 ,S3 およびS4 を繰
り返して実行し、各画像ブロックの高さ位置をRAM1
3に格納する。ここでは説明を簡単にするために画像ブ
ロックのx方向について説明したが、y方向についても
同様の判定が行われる。
As described above, the measuring object scanning stage 7 is displaced in the Z direction, and steps S2, S3 and S4 are repeatedly executed, and the height position of each image block is stored in the RAM1.
3 is stored. Here, the x direction of the image block has been described for the sake of simplicity, but the same determination is made in the y direction.

【0044】合焦判定部16において、画像ブロックの
合焦度は閾値を超えたものについて合焦が判定される
が、上記したように異なる高さ位置で合焦が認められる
場合には合焦度の大きい高さ位置を選択する。従って、
それぞれの高さにおいて画像ブロックの合焦度を判定し
た後、計測対象物1の高さ位置を変位させることでRA
M13に格納される高さ位置のデータが更新される。こ
のことから、RAM13に記憶容量の少ないものを利用
することができ、コストダウンが可能になる。
The focus determination section 16 determines the focus of the image block whose focus degree exceeds the threshold value. If the focus is recognized at a different height as described above, the focus is determined. Select a height position with a greater degree. Therefore,
After determining the degree of focus of the image block at each height, the height position of the measurement object 1 is displaced to determine RA.
The data of the height position stored in M13 is updated. Therefore, the RAM 13 having a small storage capacity can be used, and the cost can be reduced.

【0045】Z方向の走査が終了すると、RAM13に
格納されている計測対象物1の高さ位置データが形状構
成部17に出力されて3次元形状が構成される。
When the scanning in the Z direction is completed, the height position data of the measurement object 1 stored in the RAM 13 is output to the shape forming unit 17 to form a three-dimensional shape.

【0046】次に、参照鏡8で反射された参照光と計測
対象物1の反射光の干渉によって生じた干渉縞を用いて
干渉計測を行う場合について説明する。
Next, a case where interference measurement is performed using interference fringes generated by interference between the reference light reflected by the reference mirror 8 and the reflected light of the measurement object 1 will be described.

【0047】図9は、計測対象物1の断面形状と各画像
ブロックにおける高さ位置の変化を示し、画像ブロック
2 における計測対象物1の断面に傾斜面Aが存在す
る。高さ位置の目盛に設けられる矢印dは焦点深度の範
囲を示す。
[0047] Figure 9 shows the change in height position in the cross-sectional shape and each image block of the measurement object 1, the inclined surface A is present in the cross section of the measurement object 1 in the image block x 2. The arrow d provided on the scale at the height position indicates the range of the depth of focus.

【0048】このように、計測対象物1の表面に傾斜面
があると、上記した方法では拡大顕微光学系5の焦点深
度dの範囲に明確な合焦点が得られないことがある。
As described above, if the surface of the measurement object 1 has an inclined surface, a clear in-focus may not be obtained in the range of the depth of focus d of the enlarged microscope optical system 5 by the above-described method.

【0049】図10は、傾斜面Aを有する画像ブロック
2 の合焦度を示し、合焦度が閾値Sを超えないために
合焦の判定が困難となる。この場合には、遮光板11を
開放して干渉光光路に光を入射し、参照鏡8で反射され
た光をハーフミラー4で計測対象物1からの反射光と合
成する(ステップS2 )。これによって生じる干渉縞の
0次フリンジを撮像部6で撮像する(ステップS4 )。
ここで示すステップS2 ,S4 は後述するフローチャー
トの内容を示す。
[0049] Figure 10 shows the focus degree of the image block x 2 having an inclined surface A, the determination of focus is difficult to focus level does not exceed the threshold S. In this case, the light shielding plate 11 is opened, light is incident on the interference light path, and the light reflected by the reference mirror 8 is combined with the light reflected from the measurement object 1 by the half mirror 4 (step S2). The zero-order fringe of the interference fringes generated by this is imaged by the imaging unit 6 (step S4).
Steps S2 and S4 shown here indicate the contents of a flowchart described later.

【0050】図11は、0次フリンジを利用した形状計
測を実施するときに行うキャリブレーションの構成を示
す。緩く平滑な傾斜面を有する三角柱状のブロックゲー
ジ22と、ブロックゲージ22をX方向に走査するX方
向ステージ23を試料台2の上に搭載する。このとき、
干渉光光路に設けられる遮光板11は開放されて光源3
からの白色光が参照鏡8に入射する。
FIG. 11 shows a configuration of calibration performed when performing shape measurement using a zero-order fringe. A triangular prism-shaped block gauge 22 having a gentle and smooth inclined surface and an X-direction stage 23 for scanning the block gauge 22 in the X direction are mounted on the sample stage 2. At this time,
The light shielding plate 11 provided in the interference light path is opened and the light source 3
Is incident on the reference mirror 8.

【0051】次に、0次フリンジを出現させる。0次フ
リンジのZ方向の範囲は0.2μmと限られており、拡
大顕微光学系5の焦点深度dが1μm程度であることか
ら干渉光学系の調整が必要になる。
Next, a zero-order fringe appears. Since the range of the zero-order fringe in the Z direction is limited to 0.2 μm, and the depth of focus d of the enlarged microscope optical system 5 is about 1 μm, it is necessary to adjust the interference optical system.

【0052】図12は、ブロックゲージ22を拡大して
示し、画像の中心部分で焦点深度dの範囲内にブロック
ゲージ22の傾斜面が撮像されるように計測対象物走査
ステージ7およびX方向ステージ23を駆動して位置決
めを行う。
FIG. 12 shows the block gauge 22 in an enlarged manner. The object scanning stage 7 and the X-direction stage are arranged so that the inclined surface of the block gauge 22 is imaged within the range of the depth of focus d at the center of the image. 23 is driven to perform positioning.

【0053】次に、参照鏡走査ステージ9を参照光の光
軸方向に駆動して0次フリンジが出現する位置を探索
し、0次フリンジが出現した位置を参照鏡走査ステージ
9の初期値とする。このときの計測対象物走査ステージ
7および参照鏡走査ステージ9の初期値は位置情報テー
ブルとしてRAM13に格納される。
Next, the reference mirror scanning stage 9 is driven in the optical axis direction of the reference light to search for the position where the zero-order fringe appears, and the position where the zero-order fringe appears appears as the initial value of the reference mirror scanning stage 9. I do. The initial values of the measuring object scanning stage 7 and the reference mirror scanning stage 9 at this time are stored in the RAM 13 as a position information table.

【0054】次に、干渉光学系の調整を確認するため
に、計測対象物走査ステージ7をZ方向に測定精度の間
隔でhだけ移動させ、同時に参照鏡走査ステージ9もh
だけ移動させる。焦点深度d内に合焦したブロックゲー
ジ22の傾斜面の位置を記録し、この位置に0次フリン
ジが発生することを確認して調整を終了する。以上のブ
ロックゲージを用いた調整によって、計測対象物毎に干
渉縞出しの調整を行うことなしに0次フリンジに基づく
コントラストの強い傾斜面Aの画像が撮像部6で撮像さ
れる。
Next, in order to confirm the adjustment of the interference optical system, the measuring object scanning stage 7 is moved by h at intervals of the measuring accuracy in the Z direction, and at the same time, the reference mirror scanning stage 9 is also moved by h.
Just move. The position of the inclined surface of the block gauge 22 focused within the depth of focus d is recorded, and it is confirmed that a zero-order fringe is generated at this position, and the adjustment is terminated. By the adjustment using the above-described block gauge, the image of the inclined surface A having a strong contrast based on the zero-order fringe is captured by the imaging unit 6 without adjusting the appearance of interference fringes for each measurement object.

【0055】図13は、0次フリンジを利用した形状計
測のフローチャートを示し、0次フリンジを発生させる
ための干渉光学系の形成(ステップS2 )、参照鏡8の
調整(ステップS3 )、および0次フリンジの撮像(ス
テップS4 )以外のプロセスについては、先に説明した
形状計測動作と共通であるので重複する説明を省略す
る。ステップS2 ,S4 は先に説明してある。ステップ
S3 は計測対象物1を高さ方向に移動させる変位量と等
しい距離だけ参照鏡走査ステージ9を送る。これによ
り、ハーフミラー4から計測対象物1までの距離とハー
フミラー4から参照鏡8までの距離は常に等しくなり、
0次フリンジが発生する。
FIG. 13 is a flow chart of the shape measurement using the zero-order fringe, in which an interference optical system for generating the zero-order fringe is formed (step S2), the reference mirror 8 is adjusted (step S3), and the zero-order fringe is adjusted. The processes other than the imaging of the next fringe (step S4) are the same as those of the shape measurement operation described above, and thus the duplicate description will be omitted. Steps S2 and S4 have been described above. In step S3, the reference mirror scanning stage 9 is sent by a distance equal to the amount of displacement for moving the measuring object 1 in the height direction. Thereby, the distance from the half mirror 4 to the measurement target 1 and the distance from the half mirror 4 to the reference mirror 8 are always equal,
Zero-order fringes occur.

【0056】図14は、0次フリンジを用いて計測対象
物1の形状計測を行ったときの画像ブロックx1 からx
4 の高さ位置0から6にかけての合焦度を示し、0次フ
リンジを用いることによって傾斜面の明瞭な画像が得ら
れるので、合焦度による高さ位置の判定が可能になる。
このため、図14(b)に示すように、高さ位置4にお
いて傾斜面を有する画像ブロックx2 が閾値Sを超える
ことから、高さ位置は4と判定される。
FIG. 14 shows image blocks x 1 to x when the shape of the measurement object 1 is measured using the zero-order fringe.
Indicate the degree of focus from height positions 0 to 6 of 4 and use a zero-order fringe to obtain a clear image of the inclined surface, so that the height position can be determined based on the degree of focus.
Therefore, as shown in FIG. 14 (b), it is determined from the image block x 2 having an inclined surface exceeds the threshold value S in the height position 4, the height position 4 and.

【0057】上記したように、計測対象物1を焦点深度
の浅い顕微光学系を介して撮像するので、簡便な構成で
高さ方向に高い分解能が得られ、撮像画像を複数の画像
ブロックに分割して合焦度を演算することで高精度な形
状計測が可能になる。また、演算された合焦度から閾値
に基づいて計測対象物の高さ位置を決定するため、各高
さ位置における合焦度の判定を短時間で行えるととも
に、フレームメモリやRAMに記憶容量の小さいものを
使用することができ、装置全体のコストを安価とするこ
とができる。更に、傾斜面を有する計測対象物について
は、0次フリンジに基づく干渉計測を行うことにより、
傾斜面についても高精度な計測が可能になる。
As described above, since the object to be measured 1 is imaged through the microscopic optical system having a small depth of focus, a high resolution can be obtained in the height direction with a simple configuration, and the captured image is divided into a plurality of image blocks. By calculating the degree of focus, highly accurate shape measurement can be performed. In addition, since the height position of the measurement target is determined based on the calculated focus degree based on the threshold value, the focus degree at each height position can be determined in a short time, and the storage capacity of the frame memory or RAM can be reduced. A small device can be used, and the cost of the entire apparatus can be reduced. Furthermore, for a measurement object having an inclined surface, by performing interference measurement based on the zero-order fringe,
High-precision measurement is possible even on inclined surfaces.

【0058】本実施の形態では、計測対象物1をZ方向
に移動させる構成について説明したが、計測対象物1を
固定として撮像部6をZ方向に移動させる構成とするこ
ともできる。上記した干渉光学系は平坦な計測対象物に
対して干渉計測を行うことも可能であり、傾斜の度合い
が掴みにくい計測対象物の計測においても有効である。
上記した形状計測装置では、浅い焦点深度で高い倍率の
拡大顕微光学系5を用いることによって、100×10
0μm程度の範囲を画像計測することができるが、より
広範囲な画像計測を行う場合には2次元走査機構等を併
用することもできる。
In this embodiment, the configuration in which the measurement target 1 is moved in the Z direction has been described. However, the configuration in which the measurement target 1 is fixed and the imaging unit 6 is moved in the Z direction may be employed. The above-described interference optical system can also perform interference measurement on a flat measurement target, and is also effective in measurement of a measurement target whose inclination is difficult to grasp.
In the above-described shape measuring apparatus, by using the magnifying microscope optical system 5 having a small depth of focus and a high magnification, 100 × 10
Although image measurement can be performed in a range of about 0 μm, a two-dimensional scanning mechanism or the like can be used in combination when performing image measurement over a wider range.

【0059】また、光源3についてもハロゲンランプ等
に限定されず、撮像部6のピーク感度に応じた波長特性
の光を発生する光源を選択して用いることが好ましい。
Further, the light source 3 is not limited to a halogen lamp or the like, and it is preferable to select and use a light source that generates light having a wavelength characteristic according to the peak sensitivity of the imaging unit 6.

【0060】また、本実施の形態では、合焦度を演算す
るオペレータとしてラプラシアンフィルタを用いている
が、例えば、図15に示す画像ブロック位置と輝度総和
値の関係、図16に示す画像ブロック内の輝度の分散
値、あるいは図17に示す2次元フーリエ変換に基づく
高周波数成分のレベルや振幅の大きさによる評価も可能
である。
In this embodiment, the Laplacian filter is used as an operator for calculating the degree of focusing. For example, the relationship between the image block position and the total luminance value shown in FIG. It is also possible to evaluate based on the variance value of the luminance of the image or the level and amplitude of the high frequency component based on the two-dimensional Fourier transform shown in FIG.

【0061】[0061]

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の形状計測装
置によると、計測対象物で反射された反射光と参照鏡で
発生した干渉光の干渉によって生じた干渉縞を受けて計
測対象物の形状を計測するようにしたため、傾斜面を含
む計測対象物の3次元形状を高速で、かつ、高精度で測
定することができる。
As described above, according to the shape measuring apparatus of the present invention, the interference fringes generated by the interference between the reflected light reflected by the object to be measured and the interference light generated by the reference mirror are received. Since the shape is measured, the three-dimensional shape of the measurement object including the inclined surface can be measured at high speed and with high accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態における形状計測装置を示
す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a shape measuring device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態における形状計測装置の制
御ブロックである。
FIG. 2 is a control block of the shape measuring device according to the embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施の形態における形状計測装置のフ
ローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart of the shape measuring device according to the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施の形態における形状計測装置の撮
像原理を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an imaging principle of the shape measuring device according to the embodiment of the present invention.

【図5】(a)は、フレームメモリ14に格納される計
測対象物1の撮像画像であり、(b)は、撮像画像を5
×5画素に分割して構成される画像ブロックを示す説明
図である。
FIG. 5A is a captured image of a measurement target 1 stored in a frame memory 14, and FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an image block configured by being divided into × 5 pixels.

【図6】本発明の実施の形態における合焦度の演算プロ
セスを示す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a calculation process of a focus degree according to the embodiment of the present invention.

【図7】撮像部6で撮像される計測対象物1の画像ブロ
ックxと高さ位置Zの関係を示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a relationship between an image block x of the measurement object 1 imaged by the imaging unit 6 and a height position Z.

【図8】画像ブロックx1 からx4 についての合焦度と
高さ位置Zの関係を示す説明図である。
8 is an explanatory diagram showing a relationship between the focus of the height position Z for x 4 from the image block x 1.

【図9】傾斜面Aを有する計測対象物1の画像ブロック
xと高さ位置Zの関係を示す説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a relationship between an image block x and a height position Z of a measurement object 1 having an inclined surface A.

【図10】傾斜面Aが存在する画像ブロックx2 の合焦
度と高さ位置Zの関係を示す説明図である。
10 is an explanatory view showing the relationship between the focus of the image block x 2 the inclined surface A is present and the height position Z.

【図11】本発明の実施の形態における形状計測装置の
干渉計測機能を用いた場合の構成を示す説明図である。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a configuration when an interference measurement function of the shape measurement device according to the embodiment of the present invention is used.

【図12】ブロックゲージ22の位置決めを示す説明図
である。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing positioning of a block gauge 22;

【図13】本発明の実施の形態における形状計測装置の
干渉計測機能を用いた場合のフローチャートである。
FIG. 13 is a flowchart in the case where the interference measurement function of the shape measuring apparatus according to the embodiment of the present invention is used.

【図14】本発明の実施の形態における形状計測装置の
干渉計測機能を用いた場合の画像ブロックx1 からx4
についての合焦度と高さ位置Zの関係を示す説明図であ
る。
FIG. 14 shows image blocks x 1 to x 4 when the interference measurement function of the shape measuring device according to the embodiment of the present invention is used.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between a focus degree and a height position Z for (1).

【図15】本発明の実施の形態における合焦度を演算す
る他の評価手法を示す説明図である。
FIG. 15 is an explanatory diagram showing another evaluation method for calculating the degree of focus in the embodiment of the present invention.

【図16】本発明の実施の形態における合焦度を演算す
る他の評価手法を示す説明図である。
FIG. 16 is an explanatory diagram showing another evaluation method for calculating the degree of focus in the embodiment of the present invention.

【図17】本発明の実施の形態における合焦度を演算す
る他の評価手法を示す説明図である。
FIG. 17 is an explanatory diagram showing another evaluation method for calculating the degree of focus in the embodiment of the present invention.

【図18】従来の形状計測装置を示す説明図である。FIG. 18 is an explanatory view showing a conventional shape measuring device.

【図19】従来の形状計測装置を示す説明図である。FIG. 19 is an explanatory view showing a conventional shape measuring device.

【図20】従来の形状計測装置を示す説明図である。FIG. 20 is an explanatory diagram showing a conventional shape measuring device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,計測対象物 2,試料台 3,光源 4,ハーフミラー 5,拡大顕微光学系 6,撮像部 7,計測対象物走査ステージ 8,参照鏡 9,参照鏡走査ステージ 10,集光レンズ 11,遮光板 12,計測制御部 13,RAM 14,フレームメモリ 15,合焦演算部 16,合焦判定部 17,形状構成部 18,走査ステージ駆動回路 19,走査ステージ駆動回路 20,計測対象物 21,2次微分画像 21B,輝度値データ 22,ブロックゲージ 23,X方向ステージ 24,レーザパワー制御回路 25,レーザダイオード 26,ビームスプリッタ 27,コリメータレンズ 28,対物レンズ 29,計測対象物 30,光絞り部 31,ホトダイオード 32,増幅器 33,演算部 34,音叉 35,振幅検出器 36,増幅器 37,ソレノイド 38,音叉振幅制御回路 39,距離変換部 40,レーザビーム 41,対物レンズ 42,円筒レンズ 43,4分割受光素子 44a,44b,44c,ビームスポット 45,光源 46,計測対象物 47,ハーフミラー 48,参照鏡 49,対物レンズ 50,テレビカメラ 51,テレビモニタ 52,画像合成回路 Reference Signs List 1, measurement object 2, sample table 3, light source 4, half mirror 5, magnifying microscope optical system 6, imaging unit 7, measurement object scanning stage 8, reference mirror 9, reference mirror scanning stage 10, condensing lens 11, Light shielding plate 12, measurement control unit 13, RAM 14, frame memory 15, focus calculation unit 16, focus determination unit 17, shape configuration unit 18, scan stage drive circuit 19, scan stage drive circuit 20, measurement object 21, Second derivative image 21B, luminance value data 22, block gauge 23, X-direction stage 24, laser power control circuit 25, laser diode 26, beam splitter 27, collimator lens 28, objective lens 29, measurement object 30, optical aperture unit 31, photodiode 32, amplifier 33, operation unit 34, tuning fork 35, amplitude detector 36, amplifier 37, solenoid 8, tuning fork amplitude control circuit 39, distance conversion unit 40, laser beam 41, objective lens 42, cylindrical lens 43, quadrant light receiving element 44a, 44b, 44c, beam spot 45, light source 46, measuring object 47, half mirror 48 , Reference mirror 49, objective lens 50, television camera 51, television monitor 52, image composition circuit

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 計測対象物に光を照射し、前記計測対象
物の反射光に基づいて前記計測対象物の3次元形状を計
測する形状計測装置において、 前記計測対象物を照射する前記光を出射する光源と、 前記3次元形状の計測精度以下の焦点深度を有し、前記
計測対象物に前記光を導光するとともに前記反射光を所
定の方向に導光する光学手段と、 前記計測対象物を載置し、前記光学手段の光軸方向に前
記計測精度以下の単位移動量で前記計測対象物を所定の
移動量にわたって移動させる光軸方向走査ステージと、 前記反射光と干渉する干渉光を発生する干渉光発生手段
と、 前記所定の方向に位置し、前記反射光、あるいは前記反
射光と前記干渉光との干渉によって生じた干渉縞を受け
て前記3次元形状を計測する形状計測手段を有すること
を特徴とする形状計測装置。
1. A shape measuring apparatus that irradiates light to a measurement target and measures a three-dimensional shape of the measurement target based on reflected light of the measurement target, wherein the light that irradiates the measurement target is A light source that emits light, an optical unit that has a depth of focus equal to or less than the measurement accuracy of the three-dimensional shape, guides the light to the measurement target, and guides the reflected light in a predetermined direction; An optical axis direction scanning stage for mounting an object and moving the object to be measured over a predetermined amount of movement in a unit movement amount equal to or less than the measurement accuracy in the optical axis direction of the optical means; and interference light interfering with the reflected light. An interference light generating means for generating the interference light; and a shape measuring means for measuring the three-dimensional shape by receiving the reflected light or an interference fringe generated by interference between the reflected light and the interference light. It is special to have A shape measuring apparatus.
【請求項2】 前記光学手段は、高開口数のレンズを用
いた拡大顕微光学系である構成の請求項第1項記載の形
状計測装置。
2. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein said optical means is an enlarged microscope optical system using a lens with a high numerical aperture.
【請求項3】 前記形状計測手段は、前記計測対象物が
傾斜面を含むとき、前記反射光と前記干渉光との干渉に
よって生じた前記干渉縞を受けて前記3次元形状を計測
する構成の請求項第1項記載の形状計測装置。
3. The configuration in which the shape measuring means measures the three-dimensional shape by receiving the interference fringes generated by interference between the reflected light and the interference light when the measurement target includes an inclined surface. The shape measuring device according to claim 1.
【請求項4】 前記形状計測手段は、前記計測対象物が
傾斜面を含まないとき、前記反射光を受けて前記3次元
形状を計測する構成の請求項第1項記載の形状計測装
置。
4. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein said shape measuring means measures said three-dimensional shape by receiving said reflected light when said object to be measured does not include an inclined surface.
【請求項5】 前記形状計測手段は、前記反射光、ある
いは前記干渉縞を受けて2次元の画像信号を出力する受
光素子アレイと、前記光軸方向走査ステージが前記単位
移動量だけ移動する度に前記受光素子アレイを所定数に
分割したブロック毎に合焦度を演算する演算部と、前記
合焦度を閾値と比較して合焦点の有無を判定する判定部
と、前記判定部によって前記合焦点として判定された2
次元の位置を前記単位移動量に基づいて前記光軸方向に
分布させることによって前記計測対象物の3次元形状を
再現する形状構成部を含む構成の請求項第1項記載の形
状計測装置。
5. The shape measuring means includes: a light receiving element array for outputting a two-dimensional image signal in response to the reflected light or the interference fringe; and each time the optical axis scanning stage moves by the unit movement amount. A calculating unit that calculates a degree of focus for each block obtained by dividing the light receiving element array into a predetermined number, a determining unit that determines the presence or absence of a focal point by comparing the degree of focus with a threshold value, and 2 determined as focused
The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising a shape forming unit that reproduces a three-dimensional shape of the measurement target by distributing a three-dimensional position in the optical axis direction based on the unit movement amount.
【請求項6】 前記光軸方向走査ステージおよび前記干
渉光発生手段は、予め記憶手段に格納された位置情報テ
ーブルに基づいて計測開始時の初期位置が決められる構
成の請求項第1項記載の形状計測装置。
6. An apparatus according to claim 1, wherein said optical axis direction scanning stage and said interference light generating means determine an initial position at the start of measurement based on a position information table stored in advance in a storage means. Shape measuring device.
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