特許 7742017 形状測定装置の調整方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-09-10

(45)【発行日】2025-09-19

(54)【発明の名称】形状測定装置の調整方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20250911BHJP

   G01B 9/04 20060101ALI20250911BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 D

G01B9/04

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022017253

(22)【出願日】2022-02-07

(65)【公開番号】P2023114758

(43)【公開日】2023-08-18

【審査請求日】2024-12-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100140992

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲政

(74)【代理人】

【識別番号】100170069

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 一樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128635

【弁理士】

【氏名又は名称】松村 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(72)【発明者】

【氏名】川田 善之

(72)【発明者】

【氏名】森山 克文

(72)【発明者】

【氏名】森井 秀樹

【審査官】飯村 悠斗

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１２３７１９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００４－３０９７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５１６１７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

Ｇ０１Ｂ ９／００－ ９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源からの光を測定光と参照光としてそれぞれ調整用マスターと参照面に照射し、前記調整用マスター及び前記参照面によりそれぞれ反射された前記測定光及び前記参照光の合波光を用いて測定対象物の被測定面の形状を測定する形状測定装置の調整方法であって、
前記調整用マスターに直交する走査方向に沿う複数の走査位置ごとに前記調整用マスターの画像を取得し、前記走査位置ごとの画像から、合焦位置と干渉位置との合致度を示す合致度パラメータを計算するステップと、
前記合致度パラメータに基づいて前記参照面の目標設定位置を計算するステップと、
を備える形状測定装置の調整方法。

【請求項2】

前記合致度パラメータは、前記走査位置ごとの前記調整用マスターの画像に含まれるピクセルの面上の方向に沿う輝度の差分である第１パラメータと、前記走査方向に沿う輝度の差分である第２パラメータに基づいて計算する、請求項１に記載の形状測定装置の調整方法。

【請求項3】

前記参照面の位置ごとに前記合致度パラメータの計算を行うステップと、
前記参照面の位置ごとに計算した前記合致度パラメータに基づいて前記参照面の前記目標設定位置を計算するステップと、
を備える、請求項１又は２に記載の形状測定装置の調整方法。

【請求項4】

前記参照面の前記目標設定位置は、前記合致度パラメータの計算に用いた前記画像を取得したときにおける前記参照面の位置から、前記第１パラメータと前記第２パラメータのピーク値の差分だけ前記参照面を移動させた位置とする、請求項２に記載の形状測定装置の調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は形状測定装置の調整方法に係り、特に測定対象物の被測定面の形状を測定する形状測定装置の調整方法に関する。

【背景技術】

【0002】

測定対象物の３次元形状を測定する装置としては、走査型白色干渉計を用いるものが知られている。走査型白色干渉計は、白色光源を光源として用いて、マイケルソン型又はミラウ型等の光路干渉計を利用して、測定対象物の被測定面の３次元形状を非接触で測定する。

【0003】

特許文献１には、光源から対物レンズを介して測定対象物の被測定面に照射され、被測定面で反射された測定光と、光源から対物レンズを介して参照面に照射され、参照面で反射された参照光とを干渉させることにより、被測定面の光軸方向の高さを計測する形状測定装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１１－０９９７８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

図１５に示す走査型白色干渉計（白色干渉顕微鏡）では、光源からの光Ｌ０が、ビームスプリッタ２４ｂにより測定光Ｌ１ｉと参照光Ｌ２ｉに分割され、測定対象物Ｗの被測定面Ｗａと参照面２４ｃでそれぞれ反射される。被測定面Ｗａ及び参照面２４ｃでそれぞれ反射された測定光Ｌ１ｒ及び参照光Ｌ２ｒは、ビームスプリッタ２４ｂにより同一光路上で重ね合わされて合波光Ｌ３となる（以下の説明では、測定光Ｌ１ｉ、Ｌ１ｒ及び参照光Ｌ２ｉ、Ｌ２ｒを、それぞれ測定光Ｌ１及び参照光Ｌ２と総称する場合がある。）。この合波光Ｌ３から得られる干渉パターン（干渉縞）のコントラスト又は位相の変化等を求めることにより、測定対象物Ｗの被測定面Ｗａの形状（例えば、３次元形状、高さ等）を測定することができる。

【0006】

図１５の（ａ）は、対物レンズ２４ａにより集光された測定光Ｌ１ｉが測定対象物Ｗの被測定面Ｗａに合焦している例を示している。以下の説明では、図１５の（ａ）に示すように、測定光Ｌ１ｉが被測定面Ｗａに合焦する位置（測定光Ｌ１ｉが被測定面Ｗａに合焦する場合の対物レンズ２４ａと測定対象物Ｗの位置関係）を合焦位置という。なお、図１５の（ａ）に示す例では、測定光Ｌ１の光路長（測定光路長）Ｄ１（ａ）と、参照光Ｌ２の光路長（参照光路長）Ｄ２（ａ）とは異なっている（Ｄ１（ａ）≠Ｄ２（ａ））。

【0007】

一方、図１５の（ｂ）は、測定光路長Ｄ１（ｂ）と参照光路長Ｄ２（ｂ）とが一致している例を示している（Ｄ１（ｂ）＝Ｄ２（ｂ））。この場合、測定光Ｌ１ｒ及び参照光Ｌ２ｒの位相が一致する。以下の説明では、図１５の（ｂ）に示すように、測定光路長Ｄ１（ｂ）と参照光路長Ｄ２（ｂ）とが一致する位置（測定光路長Ｄ１（ｂ）と参照光路長Ｄ２（ｂ）とが一致する場合の対物レンズ２４ａ、ビームスプリッタ２４ｂ、測定対象物Ｗ及び参照面２４ｃの位置関係）を干渉位置（干渉縞発生位置）という。なお、図１５の（ｂ）に示す例では、対物レンズ２４ａにより集光された測定光Ｌ１ｉが測定対象物Ｗの被測定面Ｗａに合焦していない。

【0008】

図１５の（ｂ）に示すように、測定光Ｌ１ｉが被測定面Ｗａに合焦していない場合、合波光Ｌ３から求められる被測定面Ｗａの形状（図１６の測定形状Ｆ１２）が、実際の形状（図１６の実形状Ｆ１０）よりも崩れてしまう。また、合波光Ｌ３の光強度が低下するため、感度の低下に起因する測定精度の低下が発生したり、測定不能となったりしてしまう場合がある。

【0009】

このため、上記のような白色干渉顕微鏡では、合焦位置と参照位置とが合致するように調整される。具体的には、対物レンズ２４ａにより集光された測定光Ｌ１ｉが測定対象物Ｗの被測定面Ｗａに合焦し、かつ、測定光路長Ｄ１と参照光路長Ｄ２とが一致するように調整される。

【0010】

上記のような白色干渉顕微鏡の調整では、パターンが印刷された平面基板を観察し、作業者が合焦状態を目視で観察しながら手動で各光学要素の位置の調整を実施する。そして、作業者が、対物レンズ２４ａがパターンに合焦する合焦位置と干渉位置とが合致するように手動で調整を実施し、調整結果の確認を行っていた。

【0011】

上記のような白色干渉顕微鏡の測定精度を確保するためには、例えば、測定対象物Ｗ及び測定対象箇所が変更される都度、白色干渉顕微鏡の調整及び確認作業を高頻度で行うことが好ましい。しかしながら、白色干渉顕微鏡の調整及び確認作業の実施頻度は作業者に依存しているため、調整が十分に行われていない調整不良状態のまま測定対象物Ｗの測定を行われてしまう場合があり、その場合には精度の低い低信頼データが流出してしまうという問題がある。

【0012】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、白色干渉顕微鏡の調整を容易に実施することが可能な形状測定装置の調整方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光源からの光を測定光と参照光としてそれぞれ調整用マスターと参照面に照射し、調整用マスター及び参照面によりそれぞれ反射された測定光及び参照光の合波光を用いて測定対象物の被測定面の形状を測定する形状測定装置の調整方法であって、調整用マスターに直交する走査方向に沿う複数の走査位置ごとに調整用マスターの画像を取得し、走査位置ごとの画像から、合焦位置と干渉位置との合致度を示す合致度パラメータを計算するステップと、合致度パラメータに基づいて参照面の目標設定位置を計算するステップとを備える。

【0014】

本発明の第２の態様に係る形状測定装置の調整方法は、第１の態様において、合致度パラメータは、走査位置ごとの調整用マスターの画像に含まれるピクセルの面上の方向に沿う輝度の差分である第１パラメータと、走査方向に沿う輝度の差分である第２パラメータに基づいて計算する。

【0015】

本発明の第３の態様に係る形状測定装置の調整方法は、第１又は第２の態様において、参照面の位置ごとに合致度パラメータの計算を行うステップと、参照面の位置ごとに計算した合致度パラメータに基づいて参照面の目標設定位置を計算するステップとを備える。

【0016】

本発明の第４の態様に係る形状測定装置の調整方法は、第２の態様において、参照面の目標設定位置は、合致度パラメータの計算に用いた画像を取得したときにおける参照面の位置から、第１パラメータと第２パラメータのピーク値の差分だけ参照面を移動させた位置とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、走査位置ごとの調整用マスターの画像から合致度パラメータを算出することにより、形状測定装置の調整を容易に行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る形状測定装置を示す図である。

【図2】図２は、走査位置ごとのに取得したマスターの画像を示す図である。

【図3】図３は、横コントラストパラメータの計算例を説明するための図である。

【図4】図４は、縦コントラストパラメータの計算例を説明するための図である。

【図5】図５は、横コントラストパラメータの計算例を示す図である。

【図6】図６は、横コントラストパラメータ及び縦コントラストパラメータと走査位置（Ｚ位置）との関係を示すグラフである。

【図7】図７は、合致度パラメータと参照面の位置との関係を示すグラフである。

【図8】図８は、本発明の一実施形態に係る形状測定装置の調整方法を示すフローチャートである。

【図9】図９は、干渉縞の例を示す図である。

【図10】図１０は、横コントラストパラメータの計算に対する干渉縞の影響を示すグラフである。

【図11】図１１は、実施例３に係るマスターの設置形態を示す図である。

【図12】図１２は、実施例３に係るカーネルの例を示す図である。

【図13】図１３は、変形例１に係る形状測定装置を示す図である。

【図14】図１４は、変形例２に係る形状測定装置を示す図である。

【図15】図１５は、白色干渉顕微鏡の例を示す図である。

【図16】図１６は、実形状と測定波形の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、添付図面に従って本発明に係る形状測定装置の調整方法の実施の形態について説明する。

【0020】

［形状測定装置］
図１は、本発明の一実施形態に係る形状測定装置を示す図である。なお、図中の互いに直交するＸＹＺ方向のうちでＸＹ方向は水平方向に平行な方向であり、Ｚ方向は上下方向に平行な方向である。

【0021】

図１に示すように、形状測定装置１は、白色干渉顕微鏡１０と、駆動機構１２と、スケール１４と、データ処理部１００とを備える。

【0022】

白色干渉顕微鏡１０は、マイケルソン型の走査型白色干渉顕微鏡である。白色干渉顕微鏡１０は、光源部２０と、ビームスプリッタ２２と、干渉対物レンズ２４と、結像レンズ２６と、カメラ２８とを備える。被測定面ＷａからＺ方向上方側に沿って、干渉対物レンズ２４と、ビームスプリッタ２２と、結像レンズ２６と、カメラ２８の順で配置されている。また、ビームスプリッタ２２に対してＸ方向（Ｙ方向でも可）に対向する位置に光源部２０が配置されている。

【0023】

光源部２０は、データ処理部１００の制御の下、ビームスプリッタ２２に向けて平行光束の白色光Ｌ０（可干渉性の少ない低コヒーレンス光）を出射する。この光源部２０は、図示は省略するが、発光ダイオード、半導体レーザ、ハロゲンランプ、及び高輝度放電ランプなどの白色光Ｌ０を出射可能な光源と、この光源から出射された白色光Ｌ０を平行光束に変換するコレクタレンズとを備える。

【0024】

ビームスプリッタ２２は、例えばハーフミラーが用いられる。ビームスプリッタ２２は、光源部２０から入射した白色光Ｌ０の一部を測定光Ｌ１ｉとしてＺ方向下方側の干渉対物レンズ２４に向けて反射する。また、ビームスプリッタ２２は、干渉対物レンズ２４から入射する後述の合波光Ｌ３の一部をＺ方向上方側に透過して、この合波光Ｌ３を結像レンズ２６に向けて出射する。

【0025】

干渉対物レンズ２４は、マイケルソン型であり、対物レンズ２４ａとビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとを備える。被測定面ＷａからＺ方向上方側に沿ってビームスプリッタ２４ｂ及び対物レンズ２４ａが順に配置され、また、ビームスプリッタ２４ｂに対してＸ方向（Ｙ方向でも可）に対向する位置に参照面２４ｃが配置されている。以下マイケルソン型の干渉光学系を用いて説明するが、干渉光学系はマイケルソン型に限るものでは無く、ミラウ型やリニック型等、公知の干渉光学系を採用する事ができる。

【0026】

対物レンズ２４ａは、集光作用を有しており、ビームスプリッタ２２から入射した測定光Ｌ１を、ビームスプリッタ２４ｂを通して被測定面Ｗａに集光させる。

【0027】

ビームスプリッタ２４ｂは、本発明の干渉部に相当するものであり、例えばハーフミラーが用いられる。ビームスプリッタ２４ｂは、対物レンズ２４ａから入射する白色光Ｌ０の一部を参照光Ｌ２ｉとして分割し、残りの測定光Ｌ１ｉを透過して被測定面Ｗａに出射し且つ参照光Ｌ２ｉを参照面２４ｃに向けて反射する。なお、図中の符号Ｄ１は、ビームスプリッタ２４ｂと被測定面Ｗａとの間の測定光Ｌ１の光路長である測定光路長を示す。ビームスプリッタ２４ｂを透過した測定光Ｌ１ｉは、被測定面Ｗａに照射された後、被測定面Ｗａにより反射されてビームスプリッタ２４ｂに戻る。

【0028】

参照面２４ｃは、例えば反射ミラーが用いられ、ビームスプリッタ２４ｂから入射した参照光Ｌ２ｉをビームスプリッタ２４ｂに向けて反射する。この参照面２４ｃは、不図示の位置調整機構（例えば、ボールねじ機構、アクチュエータ等）によってＸ方向の位置を手動で調整可能である。これにより、ビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとの間の参照光Ｌ２の光路長である参照光路長Ｄ２を調整することができる。この参照光路長Ｄ２は、測定光路長Ｄ１と一致（略一致を含む）するように調整される。

【0029】

ビームスプリッタ２４ｂは、被測定面Ｗａから戻る測定光Ｌ１と参照面２４ｃから戻る参照光Ｌ２との合波光Ｌ３を生成し、この合波光Ｌ３をＺ方向上方側の対物レンズ２４ａに向けて出射する。この合波光Ｌ３は、対物レンズ２４ａ及びビームスプリッタ２２を透過して結像レンズ２６に入射する。

【0030】

結像レンズ２６は、ビームスプリッタ２２から入射した合波光Ｌ３をカメラ２８の撮像面（図示は省略）に結像させる。具体的には結像レンズ２６は、対物レンズ２４ａの焦点面上における点を、カメラ２８の撮像面上の像点として結像する。

【0031】

カメラ２８は、図示は省略するがＣＣＤ（Charge Coupled Device）型又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の撮像素子を備える。カメラ２８は、結像レンズ２６により撮像面に結像された合波光Ｌ３を撮像し、この撮像により得られた合波光Ｌ３の撮像信号を信号処理して撮像画像を出力する。

【0032】

駆動機構１２は、本発明の走査部に相当する。駆動機構１２は、リニアモータ或いはモータ駆動機構により構成されており、白色干渉顕微鏡１０を走査方向であるＺ方向に移動自在に保持している。この駆動機構１２は、データ処理部１００の制御の下、白色干渉顕微鏡１０をＺ方向に沿って走査する。

【0033】

なお、駆動機構１２は、被測定面Ｗａに対して白色干渉顕微鏡１０をＺ方向に相対的に走査可能であればよく、例えば被測定面Ｗａ（被測定面Ｗａを支持する支持部）をＺ方向に走査してもよい。

【0034】

スケール１４は、白色干渉顕微鏡１０のＺ方向位置を検出する位置検出センサであり、例えばリニアスケールが用いられる。このスケール１４は、白色干渉顕微鏡１０のＺ方向位置を繰り返し検出し、その位置検出結果をデータ処理部１００に対して繰り返し出力する。

【0035】

データ処理部１００は、操作部１０８からの操作入力に応じて、白色干渉顕微鏡１０（形状測定装置１）による被測定面Ｗａの三次元形状の測定動作を制御し、被測定面Ｗａの三次元形状の演算等を行う。データ処理部１００は、各種の演算を実行するプロセッサ（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等）と、プロセッサの作業領域となるメモリ（例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等）と、各種のプログラム及びデータを保存するためのストレージデバイス（例えば、ＳＳＤ（Solid State Drive）又はＨＤＤ（Hard Disk Drive）等）を含んでいる。

【0036】

データ処理部１００は、ストレージに保存されたプログラムをプロセッサにより実行することにより、後述の各種の機能（形状測定部１０２、合致度パラメータ計算部１０４及び合致度判定部１０６）を実現可能となっている。

【0037】

なお、データ処理部１００の機能は、１つのプロセッサにより実現されてもよいし、同種または異種の複数のプロセッサで実現されてもよい。また、データ処理部１００の機能は、汎用のコンピュータにより実現されるようにしてもよい。

【0038】

操作部１０８は、データ処理部１００に対する作業者の操作入力を受け付けるための操作部材（例えば、キーボード及びマウス等）を含んでいる。

【0039】

出力部１１０は、データ処理部１００によるプログラムの実行結果、演算結果のデータ等を出力するための装置である。出力部１１０は、例えば、操作ＵＩ（User Interface）及び検出結果を表示するためのモニタ（例えば、液晶ディスプレイ等）を含んでいる。また、出力部１１０は、モニタに加えて又はモニタに代えて、プリンタ又はスピーカ等を含んでいてもよい。

【0040】

［形状測定装置の調整手順］
データ処理部１００は、調整用マスターＭ（以下、マスターＭという。）の測定結果を用いて、合焦位置と干渉位置が合致している度合を示す合致度パラメータ（測定光Ｌ１ｉがマスターＭに合焦し、かつ、測定光Ｌ１ｒ及び参照光Ｌ２ｒが干渉するための合致度を示す合致度パラメータ）を算出する。そして、この合致度パラメータを用いて、合焦位置と干渉位置が合致の度合を評価し、形状測定装置１の調整を行うことが可能となっている。

【0041】

（合致度パラメータ）
次に、合致度パラメータの計算手順について説明する。

【0042】

本実施形態では、パターンが印刷されたマスターＭを測定対象物として、駆動機構１２により白色干渉顕微鏡１０をＺ方向に走査しながら、マスターＭの表面のパターンの画像を繰り返し取得する。

【0043】

ここで、マスターＭとしては、例えば、表面に任意の形状パターンが表面に形成された平板状のものを用いることができる。マスターＭの表面に形成されるパターンは、例えば、各種解像度チャートに用いられるパターン、例えば、放射状（スターチャート）、市松模様（checkered pattern）、グリッドチャート、ＵＳＡＦ １９５１ターゲット（United States Air Force MIL-STD-150A standard of 1951）、ＩＳＯ１２２３３準拠（ＩＳＯ：International Organization for Standardization）の解像度チャート（ＣＩＰＡ（Camera & Imaging Products Association）解像度チャート）等の全部又は一部を使用することができる。また、マスターＭとしては、粗さ標準片（例えば、疑似粗さ標準片、ランダム形状粗さ標準片等）を用いることも可能である。なお、形状パターンの種類については、上記に例示したものに限定されない。

【0044】

データ処理部１００は、走査位置Ｚ_ｉごとのマスターＭの画像Ｉ_ｉを白色干渉顕微鏡１０から取得する。ここで、ｉは、Ｚ方向の走査位置を示すフレーム番号であり、ｉ＝１，２，…，Ｎ（Ｎ≧２）である（図２参照）。

【0045】

合致度パラメータ計算部１０４は、カメラ２８の画面（ＸＹ面）上のＸＹ方向に関する第１パラメータ（横コントラストの評価パラメータ。以下、横コントラストパラメータという。）と、時間軸方向（すなわち、フレーム番号又はＺ方向）に関する第２パラメータ（縦コントラストの評価パラメータ。以下、縦コントラストパラメータという。）をそれぞれ計算する。そして、合致度パラメータ計算部１０４は、横コントラストパラメータ及び縦コントラストパラメータとＺ方向の走査位置との相関から走査位置Ｚ_ｉごとの合致度パラメータを算出する。

【0046】

合致度判定部１０６は、走査位置Ｚ_ｉごとの合致度パラメータから合致度が最大となる参照面２４ｃの位置を算出する。

【0047】

これにより、合致度が最大となる位置に参照面２４ｃを移動させることができ、形状測定装置１の調整を容易に行うことができる。

【0048】

図３及び図４は、それぞれ横コントラストパラメータ及び縦コントラストパラメータの計算例を説明するための図である。以下の説明では、画像Ｉ_ｉにおけるピクセル（ｘ，ｙ）の輝度をＰ_{ｉ（ｘ，ｙ）}とする。

【0049】

横コントラストパラメータを計算する場合、画像Ｉ_ｉのピクセル（ｘ，ｙ）に対して、図３の（ａ）に示す隣接ピクセル（（ｘ－１，ｙ－１）、（ｘ－１，ｙ）、（ｘ－１，ｙ＋１）、（ｘ，ｙ－１）、（ｘ，ｙ＋１）、（ｘ＋１，ｙ－１）、（ｘ＋１，ｙ）及び（ｘ＋１，ｙ＋１））との輝度の差分Ｃｐ_{ｉ（ｘ，ｙ）}を計算する。

【0050】

具体的には、Ｃｐ_{ｉ（ｘ，ｙ）}は、ピクセル（ｘ，ｙ）とその隣接ピクセルの輝度値Ｐ_{ｉ（ｘ，ｙ）}に対して、図３の（ｂ）に示すカーネル（係数）を乗算することにより求められる。図３の（ｂ）に示すカーネル（係数）を適用した場合、Ｃｐ_{ｉ（ｘ，ｙ）}は、下記の式（１）により表される。

【0051】

Ｃｐ_{ｉ（ｘ，ｙ）}＝｜４×Ｐ_{ｉ（ｘ，ｙ）}－Ｐ_{ｉ（ｘ－１，ｙ）}－Ｐ_{ｉ（ｘ＋１，ｙ）}
－Ｐ_{ｉ（ｘ，ｙ－１）}－Ｐ_{ｉ（ｘ，ｙ＋１）}｜ …（１）
縦コントラストパラメータを計算する場合、画像Ｉ_ｉのピクセル（ｘ，ｙ）に対して、図４の（ａ）に示すＺ方向の前後の画像Ｉ_ｉ－１，Ｉ_ｉ＋１の同一位置のピクセルとの輝度の差分Ｃｔ_{ｉ（ｘ，ｙ）}を計算する。

【0052】

具体的には、Ｃｔ_{ｉ（ｘ，ｙ）}は、ピクセル（ｘ，ｙ）とその隣接ピクセルの輝度値Ｐ_{ｉ（ｘ，ｙ）}に対して、図４の（ｂ）に示すカーネル（係数）を乗算することにより求められる。図４の（ｂ）に示すカーネル（係数）を適用した場合、Ｃｔ_{ｉ（ｘ，ｙ）}は、下記の式（２）により表される。

【0053】

Ｃｔ_{ｉ（ｘ，ｙ）}＝｜２×Ｐ_{ｉ（ｘ，ｙ）}－Ｐ_{（ｉ－１）（ｘ，ｙ）}－Ｐ_{（ｉ＋１）（ｘ，ｙ）}｜ …（２）
なお、図３の（ａ）及び図４の（ｂ）に示した隣接ピクセルの選び方と、図３の（ｂ）及び図４の（ｂ）に示したカーネルは一例であり、パラメータの計算方法は上記に限定されるものではない。例えば、ＸＹ方向の端部又はＺ方向の端部のピクセルについては、隣接ピクセルの選び方又はカーネルを変えてもよい。

【0054】

図５は、横コントラストパラメータＣｐ_{ｉ（ｘ，ｙ）}の計算例を示す図である。例えば、図５に示すように、Ｃｐ_{ｉ（ｘ，ｙ）}を計算する際には、着目ピクセル（ｘ，ｙ）に対して、その隣接ピクセル（（ｘ－１，ｙ－１）、（ｘ－１，ｙ）、（ｘ－１，ｙ＋１）、（ｘ，ｙ－１）、（ｘ，ｙ＋１）、（ｘ＋１，ｙ－１）、（ｘ＋１，ｙ）及び（ｘ＋１，ｙ＋１））の輝度値に対して掛けて足した値の絶対値をコントラスト値（合焦度）とする。

【0055】

上記の横コントラストパラメータ及び縦コントラストパラメータ（Ｃｐ，Ｃｔ）は、画像Ｉｉ内の全てのピクセル、又は一部抽出したピクセルに対して上記計算を行い、その合計値又は中央値等を、合致度パラメータの計算に用いることができる。

【0056】

次に、上記のようにして、各画像Ｉ_１～Ｉ_Ｎに対して横コントラストパラメータＣｐ_１～Ｃｐ_Ｎと縦コントラストパラメータＣｔ_１～Ｃｔ_Ｎを計算し、走査位置Ｚ_ｉとの相関をとる。

【0057】

図６は、横コントラストパラメータ及び縦コントラストパラメータと走査位置（Ｚ位置）との関係を示すグラフである。図６において、曲線Ｃｐ及びＣｔは、それぞれ横コントラストパラメータＣｐ_１～Ｃｐ_Ｎ及び縦コントラストパラメータＣｔ_１～Ｃｔ_Ｎの近似曲線（例えば、最小二乗近似又は多項式近似により求めた曲線）である。

【0058】

合致度パラメータ計算部１０４は、横コントラストパラメータＣｐ及び縦コントラストパラメータＣｔがピーク（最大）となる走査位置（Ｚｐ，Ｚｔ）をそれぞれ計算する。そして、合致度パラメータ計算部１０４は、ＺｐとＺｔが合致している度合を示すパラメータ｜Ｚｐ－Ｚｔ｜を、合焦位置と干渉位置の合致度を示すパラメータとして計算する。

【0059】

次に、参照面２４ｃの位置を変化させながら同様の測定を行う。そして、合致度判定部１０６は、参照面２４ｃの位置と合致度パラメータとの関係から、参照面２４ｃの目標設定位置を計算する。

【0060】

図７は、合致度パラメータと参照面の位置との関係を示すグラフである。図７には、参照面２４ｃの位置ごとに計算した合致度パラメータ｜Ｚｐ－Ｚｔ｜の値と、その近似曲線（例えば、最小二乗近似又は多項式近似により求めた曲線）とを図示している。

【0061】

合致度判定部１０６は、合致度パラメータ｜Ｚｐ－Ｚｔ｜の値が最小となる参照面２４ｃの位置を探索し、その位置を規定の参照面の目標設定位置Ａｏとして採用する。

【0062】

本実施形態では、合致度パラメータとして差分絶対値｜Ｚｐ－Ｚｔ｜を採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、差分（Ｚｐ－Ｚｔ）の２乗、｛ｍｉｎ（Ｚｐ，Ｚｔ）／ｍａｘ（Ｚｐ，Ｚｔ）｝又は［１－｛ｍｉｎ（Ｚｐ，Ｚｔ）／ｍａｘ（Ｚｐ，Ｚｔ）｝］等の、ＺｐとＺｔが合致している度合を示す任意のパラメータを合致度パラメータとして採用することも可能である。なお、合致度パラメータとして差分（Ｚｐ－Ｚｔ）の２乗を採用した場合には、合致度パラメータが最小となる参照面２４ｃの位置を目標設定位置とすればよい。合致度パラメータとして｛ｍｉｎ（Ｚｐ，Ｚｔ）／ｍａｘ（Ｚｐ，Ｚｔ）｝を採用した場合には、合致度パラメータが１に最も近くなる参照面２４ｃの位置を目標設定位置とすればよい。また、合致度パラメータとして［１－｛ｍｉｎ（Ｚｐ，Ｚｔ）／ｍａｘ（Ｚｐ，Ｚｔ）｝］を採用した場合には、合致度パラメータが０に最も近くなる参照面２４ｃの位置を目標設定位置とすればよい。

【0063】

（合致度の確認を行うタイミング）
なお、マスターＭを用いて合致度を確認するタイミング（時期的条件）としては、下記の例が考えられる。

【0064】

（ａ）測定対象物Ｗの測定実行回数が一定値を超えた場合に確認を実施する。この場合、測定実行回数を制限することにより、調整不良状態で測定実行してしまう測定対象物Ｗの最大数を制限することが可能になる。

【0065】

（ｂ）一定時間又は一定日数経過時に確認を実施する。この場合、調整不良状態で測定対象物Ｗの測定が実行されてしまった場合であっても、調整不良状態で測定された測定対象物Ｗ及び測定データを測定日等により特定することができる。これにより、調整不良状態で測定された測定データを容易にトレースすることができ、再測定を行うことが可能になる。

【0066】

（ｃ）測定のバッチ（例えば、ロット等）の開始時に確認を実施する。この場合、調整不良状態で測定実行してしまう測定対象物Ｗがバッチに制限される。これにより、調整不良状態で測定された測定データを容易にトレースすることができ、再測定を行うことが可能になる。

【0067】

なお、確認の実施タイミングは、上記に例示列挙したものに限定されない。上記の（ａ）～（ｃ）及びこれらの組み合せを作業者が選択又は設定可能としてもよい。

【0068】

［形状測定装置の調整方法］
図８は、本発明の一実施形態に係る形状測定装置の調整方法を示すフローチャートである。

【0069】

まず、白色干渉顕微鏡１０のステージＳＴにマスターＭをセットし（ステップＳ１０）、駆動機構１２により白色干渉顕微鏡１０をＺ方向の初期位置に設定する（ステップＳ１２）。

【0070】

次に、マスターＭの画像の取得（ステップＳ１４）と白色干渉顕微鏡１０のＺ方向走査（ステップＳ１８）とを繰り返し、Ｚ方向の走査が終了すると（ステップＳ１６のＹｅｓ、各走査位置Ｚ_ｉの画像Ｉ_ｉから合致度パラメータを計算する（ステップＳ２０）。

【0071】

次に、参照面２４ｃをＸ方向に走査して（ステップＳ２４）、ステップＳ１２からＳ２０を繰り返し、参照面２４ｃの走査を終了すると（ステップＳ２２のＹｅｓ）、合致度パラメータ（図７参照）に基づいて、参照面２４ｃの目標設定位置Ａｏを計算する（ステップＳ２６）。そして、参照面２４ｃを目標設定位置Ａｏに移動することにより、形状測定装置１の調整を終了する。

【0072】

本実施形態によれば、参照面２４ｃの目標設定位置を数値的に算出することができるので、参照面２４ｃの位置の調整を高精度で行うことができる。さらに、作業者の個人差又は基準に依存することなく、参照面２４ｃの位置の調整の再現性を高めることができる。

【0073】

［実施例１］
図７に示した横コントラストパラメータＣｐがピーク値をとるピーク位置Ｚｐ（合焦位置を示す）と、縦コントラストパラメータＣｔがピーク値をとるピーク位置Ｚｔ（干渉位置を示す）の距離差は、測定光路長Ｄ１と、参照光路長Ｄ２との光路差を示している。

【0074】

参照面２４ｃの位置は、（Ｚｐ－Ｚｔ）だけ移動することで、参照面２４ｃの目標設定位置Ａｏを得ることができる。

【0075】

実施例１によれば、参照面２４ｃの位置を変えながらコントラスト測定（ステップＳ２２～Ｓ２４のループ）を行う必要が無くなるため、より短時間で形状測定装置１の調整が可能となり、装置の効率化に寄与する。

【0076】

［実施例２］
干渉位置が合焦位置に近い場合（例えば、焦点深度の範囲内のずれの場合）、横コントラストパラメータＣｐを計算する際に、図９に示すように、カメラ２８の画面内に干渉縞が発生する。この干渉縞が横コントラストパラメータＣｐの計算に悪影響を与え、図１０に示すように、合焦位置を示すＺｐの計算精度が低下する課題があった。図１０では、横コントラストパラメータＣｐの形状がＣｐｆのように歪んでしまい、ピーク位置がＺｐからＺｐｆにずれている。特に、マスターＭの設置角度が一定程度存在する場合、カメラ２８の画面内に干渉縞による明暗がより発生しやすくなる。

【0077】

実施例２では、横コントラストパラメータＣｐを計算するときに、輝度がカメラ２８の最大値付近又は最小値付近のピクセルを、横コントラストパラメータＣｐの計算から外す処理を行う。例えば、各ピクセルの分解能が８ｂｉｔ（０～２５５）である場合、輝度が０付近（例えば、０～９）、２５５付近（例えば、２４６～２５５）であるピクセルに対しては計算を行わず、上記の範囲外のピクセルで計算した値を利用する。

【0078】

実施例２によれば、横コントラストパラメータの計算の精度低下の要因となる白飛び、黒飛びの影響を無くすことができるため、より高精度に横コントラストのピークを算出することが可能となる。これにより、形状測定装置１の３次元形状測定結果の高精度化と高信頼度化を図ることができる。

【0079】

［実施例３］
実施例３では、図１１の（ｂ）に示すように、マスターＭを測定光軸ＡＸに対して特定方向に傾斜して設置する。ここで、マスターＭの傾斜量は、例えば、１視野内に干渉縞が複数発生するように設定することが好ましい。仮に視野範囲を１ｍｍ角とすると、１ｍｍに対して高さ０．５５μｍ（波長程度）となる。この場合、図１１の（ａ）に示す傾斜角度φは、φ＝ａｒｃｔａｎ（０．５５μｍ／１ｍｍ）となる。なお、視野範囲は対物レンズの倍率によって異なる。

【0080】

そして、図１１の（ａ）に示すように、干渉縞の明暗パターンの発生方向Ｄ１に対して直交する方向に横コントラストを計算する。

【0081】

ここで、図１１では、干渉縞の明暗パターンの発生方向Ｄ１をＸ方向とする。この場合、例えば、図１２に示すようなカーネルを用いて横コントラストパラメータＣｐを計算する。図１２に示すカーネルでは、中央の着目ピクセルに対してＸ方向に隣接するピクセルに対する係数が０となっている。このようなカーネルを用いることにより、干渉縞の明暗パターンの発生方向Ｄ１に対して直交する方向に横コントラストを計算することができる。

【0082】

実施例３によれば、干渉縞によって発生するコントラストの影響を抑えることができるため、より高精度に横コントラストのピークを算出することが可能になる。

【0083】

［変形例１］
図１３は、変形例１に係る形状測定装置を示す図である。

【0084】

図１３に示すように、変形例１に係る形状測定装置１Ａは、温調機（温度センサ３４及び温度制御ユニット１１２）を用いて参照面２４ｃの位置の調整を行う。

【0085】

図１３に示すように、形状測定装置１Ａでは、干渉対物レンズ２４はホルダ２４ｄを含んでいる。

【0086】

ホルダ２４ｄは、例えば真鍮のような金属材料、すなわち可逆的に熱変形する材料で形成されている。このホルダ２４ｄは、レンズ鏡胴２４ｄ１と参照面収納部２４ｄ２とを備える。レンズ鏡胴２４ｄ１は、Ｚ方向に延びた筒形状に形成されており、対物レンズ２４ａ及びビームスプリッタ２４ｂを収納（保持）する。参照面収納部２４ｄ２は、レンズ鏡胴２４ｄ１におけるビームスプリッタ２４ｂの保持位置からＸ方向に延びた筒形状に形成されており、参照面２４ｃを収納する。

【0087】

温度調整部３２は、参照面収納部２４ｄ２の近傍に設けられており、温度制御ユニット１１２の制御の下、少なくともビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとの間の温度、すなわち参照面収納部２４ｄ２の温度を調整する。この温度調整部３２としては、例えば、ヒータ及びペルチェ素子などが用いられる。

【0088】

参照面収納部２４ｄ２は、可逆的に熱変形する材料で形成されているので、温度変化に応じて可逆的に熱変形（膨張又は収縮）する。これにより、温度調整部３２により参照面収納部２４ｄ２の温度を変化させることで、参照面収納部２４ｄ２を熱変形させてこの熱変形に応じて参照面２４ｃのＸ方向位置を調整可能である。

【0089】

温度センサ３４は、本発明の温度測定部に相当する。温度センサ３４は、参照面収納部２４ｄ２の近傍に設けられており、ホルダ２４ｄの中で少なくとも参照面収納部２４ｄ２（ビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとの間）の温度を測定し、その温度測定結果を温度制御ユニット１１２の温度取得部１１６へ出力する。この温度センサ３４の測定結果は、温度制御ユニット１１２による温度調整部３２の制御に利用される。

【0090】

断熱材３０は、干渉対物レンズ２４の全体、温度調整部３２、及び温度センサ３４を覆うように設けられている。これにより、断熱材３０の内部の温度、特に参照面収納部２４ｄ２及びその近傍の温度が外部の影響を受けて変化することが防止される。

【0091】

図１３に示すように、温度制御ユニット１１２は、制御目標温度保存部１１４、温度取得部１１６、計算処理部１１８及び出力制御部１２０を含んでいる。

【0092】

制御目標温度保存部１１４は、ホルダ２４ｄ内の温度（例えば、参照面収納部２４ｄ２の温度、ビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとの間の温度）と、参照面２４ｃの位置（Ｘ方向の位置）との対応関係を示すルックアップテーブルＬＵＴを保存する。

【0093】

計算処理部１１８は、制御目標温度保存部１１４に保存されたＬＵＴを参照して、参照面２４ｃの設定目標位置に移動させるために必要な温度調整部３２の出力を計算する。具体的には、計算処理部１１８は、参照面２４ｃの設定目標位置に対応するホルダ２４ｄ内の温度（制御目標温度）をＬＵＴから読み出し、ホルダ２４ｄ内の温度を制御目標温度にするための温度調整部３２の出力を計算する。

【0094】

出力制御部１２０は、計算処理部１１８による計算結果に基づいて温度調整部３２の出力を制御して、ホルダ２４ｄ内の温度を制御目標温度にする。ここで、ホルダ２４ｄ内の温度制御は、例えば、フィードバック制御、ＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Differential Controller）等により行うことが可能である。

【0095】

変形例１によれば、参照面２４ｃの位置を温度という数値を用いて管理することができるので、より高精度、高分解能かつ高再現性での調整が可能となる。

【0096】

［変形例２］
図１４は、変形例２に係る形状測定装置を示す図である。

【0097】

図１４に示すように、変形例２に係る形状測定装置１Ｂは、モータＭを用いた直動機構を用いて参照面２４ｃの位置の調整を行う。

【0098】

モータ制御部１３０は、参照面２４ｃのＸ方向の位置を取得してモータＭの回転量を制御（フィードバック制御、ＰＩＤ制御）し、参照面２４ｃを設定目標位置に移動させる。

【0099】

変形例２によれば、モータＭを用いて参照面２４ｃの位置を制御することができるので、より高精度、高分解能かつ高再現性での調整が可能となる。
なお、変形例２では、モータＭを用いた直動機構を採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ピエゾ素子等のアクチュエータを用いた直動機構を採用することも可能である。

【符号の説明】

【0100】

１、１Ａ、１Ｂ…形状測定装置、１０…白色干渉顕微鏡、１２…駆動機構、１４…スケール、１６…切替機構、２０…光源部、２２…ビームスプリッタ、２４…干渉対物レンズ、２４ａ…対物レンズ、２４ｂ…ビームスプリッタ、２４ｃ…参照面、２４ｄ…ホルダ、２６…結像レンズ、２８…カメラ、３０…断熱材、３２…温度調整部、３４…温度センサ、１００…データ処理部、１０２…形状測定部、１０４…合致度パラメータ計算部、１０６…合致度判定部、１０８…操作部、１１０…出力部、１１２…温度制御ユニット、１１４…制御目標温度保存部、１１６…温度取得部、１１８…計算処理部、１２０…出力制御部、１３０…モータ制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】