JP2017125707A

JP2017125707A - 計測方法および計測装置

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Publication number: JP2017125707A
Application number: JP2016003644A
Authority: JP
Inventors: 晃宏畑田; Akihiro Hatada
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2017-07-20

Abstract

【課題】計測精度の点で有利な計測装置を提供する。
【解決手段】被計測物の形状を計測する計測装置であって、互いに周期が異なる複数のパターン光を被計測物に投影する投影部４と、前記複数のパターン光が投影された被計測物を撮像して、各パターン光に対応する画像をそれぞれ取得する撮像部７と、画像に基づいて被計測物の形状の情報を求める処理部１０と、を有し、処理部１０は、前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光に対応する画像の輝度情報と、前記複数のパターン光の位相情報から求められる前記複数のパターン光を合成した合成パターン光の位相情報と、に基づいて前記被計測物の形状の情報を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、計測方法および計測装置に関する。

被計測物の形状を計測する装置として、パターン投影法を用いた光学式の計測装置が知られている。パターン投影法では、所定のパターンを被計測物に投影して撮像し、撮像画像におけるパターンを検出して、三角測量の原理から各画素位置における距離情報を算出することで、被計測物の形状を求めている。

パターン投影法の代表的なものとして、位相シフト法がある。この方法では、輝度が正弦波状に変化する縞パターンを所定の位相ずつずらしながら被計測物に投影して撮像し、複数の撮像画像に基づいて被計測物の形状を求める。各画素位置における距離情報は、位相と対応させて求める。撮像画像から得られる位相は不連続であるため、当該画素の縞次数ｎ（画像内の一端から他端に向かって数えてｎ周期目の縞であることを表す値）を特定し、連続した値を求める必要がある（位相接続）。

位相接続は、例えば、被計測物の高さ方向の変化が急激な場合や不連続な場合、また、パターンピッチを細かくして高精度に被計測物の高さを計測する場合に困難となりうる。高さ方向の変化が大きい場合に対応する技術として、互いに周期が異なる２つの縞パターンを順次投影し、撮像する方法（特許文献１）および、同時に投影する方法（特許文献２）がある。他に、投影パターンのデフォーカス情報と高さ方向の距離情報との関係をキャリブレーションにより予め取得して、取得した関係を用いて縞次数を求める方法もある（特許文献３）。

特開２０１０−９１５７０号公報特開２００４−３６１１４２号公報特開２０１０−２７１１９９号公報

しかしながら、特許文献１の方法は、細かいパターンピッチに対応することは困難となりうる。特許文献２の方法は、２つの縞パターンを分離し、各縞パターンを個別に撮像するための構成が必要であり、コストの点で不利となりうる。特許文献３の方法は、キャリブレーションのための高精度なステージ装置、十分な計測時間が必要であり、コストおよび計測時間の点で不利となりうる。

本発明は、例えば、計測精度の点で有利な計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、被計測物の形状を計測する計測装置であって、互いに周期が異なる複数のパターン光を被計測物に投影する投影部と、複数のパターン光が投影された被計測物を撮像して、各パターン光に対応する画像をそれぞれ取得する撮像部と、画像に基づいて被計測物の形状の情報を求める処理部と、を有し、処理部は、複数のパターンのうちいずれかのパターン光に対応する画像の輝度情報と、複数のパターン光の位相情報から求められる複数のパターン光を合成した合成パターン光の位相情報と、に基づいて被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、計測精度の点で有利な計測装置を提供することができる。

第１実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。第１実施形態に係る演算処理工程を示すフローチャートである。コントラストと高さ方向の位置との関係を示すグラフである。ピッチの細かさによるコントラストと縞次数との関係の変化を示す図である。第２実施形態に係る演算処理工程を示すフローチャートである。ステージ位置とコントラストとの関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。本実施形態に係る計測装置は、光源１と、コリメートレンズ２と、パターン生成部３と、投影光学系（投影部）４と、ステージ６と、撮像光学系（撮像部）７と、受光部９と、処理部（演算部）１０と、を備える。光源１から射出した光はコリメートレンズ２を経て平行光となり、明部と暗部とが周期的に（正弦波状に）変化する縞パターンを生成するパターン生成部３に入射する。パターン生成部３は、光透過部分と遮光部分とが交互に配列されたパターンを有するマスク、液晶素子、ＤＭＤ等を用いることができる。パターン制御部１１は、パターン生成部３を制御して、生成するパターンを高速で空間的に変調する。本実施形態では、２種類のパターンを被計測物５に別々に投影する。被計測物５の高さ方向をＺ方向、これに垂直な方向をＸ方向およびＹ方向とする。

パターン生成部３を透過した光束は、複数のレンズを含む投影光学系４へ入射する。投影光学系４は入射した光束を拡大して、ステージ６に搭載された被計測物５に投影する。ステージ６は光軸方向に駆動する。高精度な計測のためにピッチの小さいパターンを投影すると、焦点深度が狭くなる。広い計測レンジを確保するためには、被計測物５に対して焦点位置を焦点深度程度の間隔で走査しながら測定する必要がある。被計測物５の表面で反射した光束は、複数のレンズを含む撮像光学系７に入射する。入射した光は、撮像光学系７内の開口絞り８によって空間周波数を絞られた後、受光部９へ出射する。受光部9は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等を含み、入射した光の強度を検出（撮像）する。本実施形態では、２種類のパターンを被計測物５に別々に投影するため、２つの画像が取得される。処理部１０は、受光部９により撮像された画像に基づいて被計測物５の形状を求める。

図２は、処理部１０による演算処理工程を示すフローチャートである。Ｓ１０１では、処理部１０は、受光部９が取得した画像からパターンごとに位相を算出する。ΔφずつＮ回、位相をずらしながら撮像した場合を考える。各画素の位置（ｘ，ｙ）における強度（輝度情報）Ｉ_ｋ（ｘ，ｙ）の変化を離散フーリエ変換（ＤＦＴ）することにより、位置（ｘ，ｙ）における位相（位相情報）θ（ｘ，ｙ）は下記［数１］より求められる。

Ｓ１０２では、処理部１０は、少なくとも一方の画像についてコントラスト（輝度情報）を算出する。位置（ｘ，ｙ）におけるコントラストγ（ｘ，ｙ）は下記［数２］より求められる。

Ｓ１０３では、処理部１０は、投影する２つのパターンを合成し、各画素における合成後のパターン（合成パターン光）の位相を算出する。投影する各パターンの被計測物５上での実質的な周期λ_１およびλ_２は、ピッチをｐ_１およびｐ_２、入射角度（輻輳角）をαとすると，λ_１＝ｐ_１／ｃｏｓα、λ_２＝ｐ_２／ｃｏｓαとなる。合成後のパターンの周期Λ_１２は、λ_１×λ_２／｜λ_１―λ_２｜により求められる。また、各パターンの位相をθ_１、θ_２とすると，合成後のパターンの位相Θ_１２はθ_２−θ_１として求められる。例えば、λ_１＝１００μｍ，λ_２＝１０１μｍとした場合、Λ_１２＝１０．１ｍｍとなり、周期がおよそ１００倍だけ拡大される。

Ｓ１０４では、処理部１０は、少なくとも一方の画像におけるコントラストと測長値（位置情報）との関係を示すデータ（図３）を読み込む。このデータは、予め取得し、不図示の記憶部に記憶しておいたものである。例えば、表面粗さが既知の平板をステージ上に設置し、ステージを光軸方向に駆動して、複数の位置でパターン投影、位相シフトおよびコントラスト算出を行うことで得られる。得られたデータは、図３において曲線で示される。横軸がコントラスト、右の縦軸がステージ位置（測長値）、左の縦軸は縞次数である。縞次数は、測長値をピッチ（周期）で割り、端数を四捨五入することで算出される。図３で縦軸方向に等間隔の点線で示したのは、ピッチであり、実線で示す階段状のグラフは縞次数を示している。なお、ここで読み込むデータは、Ｓ１０２でコントラストを算出したほうのパターンに対応したデータである。

Ｓ１０５では、処理部１０は、下記［数３］より合成後のパターンの縞次数Ｍ_１を求める。まず、処理部１０は、Ｓ１０２で算出したコントラストに基づき、Ｓ１０４で読み込んだコントラストと測長値（縞次数）との関係を参照して、測長値（ステージ位置）Ｌ_{ｓｔａｇｅ}および縞次数Ｍを求める。縞次数Ｍは、Ｓ１０２でコントラストを求めた画像の取得時に投影したパターンの縞次数である。求めたＬ_{ｓｔａｇｅ}および縞次数Ｍを下記［数３］に代入することで縞次数Ｍ_１が求められる。

ここで、関数ｒｏｕｎｄは小数点以下の四捨五入を表す関数である。

Ｓ１０６では、処理部１０は、下記［数４］より投影したパターンのうち、いずれかのパターンによる測長値を算出する。本実施形態では、最もピッチが細かいパターンによる測長値Ｈ_１を算出する。用いるパラメータは、投影する複数のパターンのうち、最もピッチが細かいパターンの周期、縞次数、位相である。本実施形態では、当該周期はλ_１である。位相は、Ｓ１０１で算出したθ_１（ｘ，ｙ）である。位相シフト法においては、投影するパターンのピッチが細かくなるほど計測精度はよくなるが、縞次数の特定は、一般的にピッチが細かくなるほど困難になる。図４は、ピッチの細かさによるコントラストと縞次数との関係の変化を示す図である。横軸はコントラスト、縦軸が縞次数である。実線または破線の曲線は測長値を示し、階段状の実線および破線は縞次数を表す。この図によれば、ピッチが細かくなると、コントラストに対する縞次数の敏感度が増加することが分かる。［数４］に代入する縞次数の値Ｍ_２（ｘ，ｙ）は、下記［数５］および［数６］を用いて求められる。［数５］では、合成後の画像に基づいて得られる測長値Ｈ_２（ｘ，ｙ）を用いる。Ｈ_２（ｘ，ｙ）は、［数６］により算出される。［数６］に代入するＭ_１は、Ｓ１０５で得られ、Θ_１２は、Ｓ１０３で得られる。

［数４］で用いる縞次数は、合成後のパターンの縞次数を用いることとなる。合成後のパターンは、本実施形態では周期がおよそ１００倍に拡大されており、図４で示したとおり、コントラストに対する縞次数の敏感度が低くなっている。したがって、本実施形態の計測装置（計測方法）によれば、細かいピッチのパターン光を用いても位相接続が困難とならない。

Ｓ１０７では、処理部１０は、Ｓ１０６で求めた測長値から被計測物５の三次元形状を算出する。以上、計測レンジ内でステージ６の走査、パターン投影、撮像ならびに工程Ｓ１０１からＳ１０７を繰り返すことにより、被計測物５の形状を計測できる。ここで、計測レンジとは、パターンの明暗を判別できるコントラストを確保できる受光部９と被計測物５（ステージ６）との距離を指す。

以上のように、本実施形態によれば、計測精度の点で有利な計測装置を提供することができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、計測レンジを超えてステージ６を移動させることで、図５は、処理部１０による演算処理工程を示すフローチャートである。Ｓ２０１では、受光部９が得た画像を処理部１０が取得する。Ｓ２０２からＳ２０４は、第１実施形態のＳ１０１からＳ１０３と同様である。Ｓ２０５では、不図示の駆動部がステージ６をｚ方向に移動させ、移動量が計測レンジを超えるか否かを処理部１０が判定する。計測レンジを超える（Ｙｅｓ）まで、Ｓ２０１からＳ２０５を繰り返す。

Ｓ２０６では、処理部１０は、Ｓ２０３で得られたコントラストが最大となるステージ位置を決定する。決定されたステージ位置をもとに被計測物５の三次元形状が算出される。図６は、任意の画素の位置（ｘ，ｙ）におけるステージ位置（座標）とコントラストとの関係を示すグラフである。白抜きの丸が各ステージ位置において算出されたコントラストである。この図では、４つの位置において算出されている。これらプロットから作成された近似曲線が点線の曲線である。この曲線の最大値がコントラストの最大値となる。

Ｓ２０７では、処理部１０は、Ｓ２０６で算出したステージ座標Ｌ´_{ｓｔａｇｅ}から合成後のパターンの縞次数Ｍ_１を下式［数７］により決定する。以下Ｓ２０８およびＳ２０９は、第１実施形態のＳ１０６およびＳ１０７と同様である。本実施形態の計測装置も、第１実施形態と同様の効果を奏する。

上記実施形態では、用いるパターン光を２つとして説明したが、２より多い互いに周期が異なる複数のパターン光を用いても良い。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

３パターン生成部
４投影光学系
５被計測物
６ステージ
７撮像光学系
９受光部
１０処理部

Claims

被計測物の形状を計測する計測装置であって、
互いに周期が異なる複数のパターン光を前記被計測物に投影する投影部と、
前記複数のパターン光が投影された前記被計測物を撮像して、各パターン光に対応する画像をそれぞれ取得する撮像部と、
前記画像に基づいて前記被計測物の形状の情報を求める処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光に対応する画像の輝度情報と、前記複数のパターン光の位相情報から求められる前記複数のパターン光を合成した合成パターン光の位相情報と、に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする計測装置。
前記処理部は、前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光に対応する画像の輝度情報と、予め求めた前記輝度情報と縞次数との関係と、を用いて、前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光の縞次数を求め、前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光の縞次数に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記処理部は、前記合成パターン光の縞次数をＭ_１、前記合成パターン光の周期をΛ_１２、前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光の縞次数をＭ、前記関係から得られた測長値をＬ_{ｓｔａｇｅ}としたときに、

ここで、ｒｏｕｎｄは小数点以下の四捨五入を表す関数とする。
式（１）により算出される前記合成パターン光の縞次数Ｍ_１に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
前記処理部は、前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光の周期をλ_１、位相情報をθ_１、前記合成パターン光の位相情報をΘ_１２としたときに、

式（２）により値Ｈ_２を算出し、

ここで、ｒｏｕｎｄは小数点以下の四捨五入を表す関数とする。
式（３）により値Ｍ_２を算出し、

式（４）により求められる値Ｈ_１に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
前記処理部は、前記関係において前記輝度情報が最大となるときの縞次数を前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光の縞次数として、前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
互いに周期が異なる複数のパターン光を被計測物に投影して、前記複数のパターン光が投影された前記被計測物を撮像して、各パターン光に対応する画像に基づいて前記被計測物の形状の情報を求める計測方法であって、
前記複数のパターンの位相情報から、前記複数のパターン光を合成した合成パターン光の位相情報を求め、
求めた位相情報と、前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光に対応する画像の輝度情報と、に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする計測方法。
前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光に対応する画像の輝度情報と、予め求めた前記輝度情報と縞次数との関係と、を用いて、前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光の縞次数を求め、前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光の縞次数に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする請求項６に記載の計測方法。
前記関係において前記輝度情報が最大となるときの縞次数を前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光の縞次数として、前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする請求項７に記載の計測方法。