高度测定方法、高度测定用程序、高度测定装置的制作方法

专利名称：高度测定方法、高度测定用程序、高度测定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种被测物表面的高度测定方法、高度测定用程序、高度测定装置。
背景技术：
以往，提出了如下高度测定方法通过投影光学系统在被测物表面落射投影纹理图案(texture pattern)，沿着成像光学系统的光轴方向扫描并且获取摄像装置的聚焦测度值达到最大的位置作为被测物表面的高度值(例如，参照日本专利特开平6-201337号公报)。然而，在以往的测量方法中，存在如下问题因投影光学系统或成像光学系统的球面像差等各种像差的影响，而使根据被测物表面的倾斜角度测量的高度值产生误差。

发明内容
本发明是鉴于所述问题而进行的，其课题在于提供一种可修正因被测物表面的倾斜角度所致的高度值的误差而获取更准确的高度值的高度测定方法、高度测定程序、以及高度测定装置。为解决所述问题，本发明的第一形态提供一种高度测定方法，其特征在于使用包含多个像素的摄像装置来拍摄由成像光学系统获得的被测物的像；根据所述摄像装置的各像素的聚焦测度值而获取与所述摄像装置的各像素对应的位置的被测物的高度值；根据所述被测物表面的倾斜角度来修正所述获取的高度值。在本发明的高度测定方法中所述被测物表面的倾斜角度，优选为根据所述摄像装置的各像素的所述高度值求出与所述各像素对应的所述被测物表面的倾斜角度。在本发明的高度测定方法中，处于与所述摄像装置的各像素对应的位置的所述被测物的表面位置的高度值，是通过针对所述摄像装置的各像素求出聚焦测度值达到最大的条件而获得的值； 所述聚焦测度值，优选为，针对所述摄像装置的各像素，根据来自某个像素与位于所述某个像素周围的像素的输出而求出。而且，在本发明的高度测定方法中，优选为，求出与所述各像素对应的所述被测物表面的倾斜角度，作为根据所述各像素的高度值求出的所述被测物表面的暂定倾斜角度，对所述各像素的所述高度值加减与该暂定倾斜角度对应的所述高度修正值。进而，在本发明的高度测定方法中，优选为，根据加减了与所述暂定倾斜角度对应的高度修正值的所述各像素的高度值，通过收敛计算(convergent calculation),来计算与所述各像素位置对应的所述被测物表面的倾斜角度及高度修正值。进而，在本发明的高度测定方法中，优选为所述高度修正值针对所述摄像装置的各像素具有对应于所述倾斜角度的高度修正值。在本发明的高度测定方法中，更优选为，所述高度修正值，于各倾斜角度中，根据所述摄像装置的各像素的高度修正值，求出代表高度修正值，而分配到所述各像素的高度修正值，则为与所述代表高度修正值的偏移值。在本发明的高度测定方法中，预先求出所述高度修正值时所使用的所述被测物，优选为标准平面镜。而且，在本发明的高度测定方法中，预先求出所述高度修正值时所使用的所述被测物优，选为球径已知的标准球。在本发明的高度测定方法中，优选为，所述被测物具有纹理图案，使用基于纹理图案的聚焦测度值自使用所述摄像装置获得的像获取所述被测物表面的高度值；进而，对所述被测物投射空间频率与所述纹理图案不同的投影图案，使用基于投影图案的聚焦测度值自使用所述摄像装置获得的像获取所述被测物表面的高度值；所述高度修正值，设为由所述纹理图案得出的高度值测定结果与由所述投影图案 得出的高度值测定结果的差量。本发明的第二形态提供一种高度测定用程序，该高度测定用程序用于高度测定装置中，所述高度测定装置是使用落射照明装置照明被测物或将投影图案投射到所述被测物，沿着光轴方向扫描且使用成像光学系统的摄像装置拍摄所述被测物或所述投影图案，将所述摄像装置中的聚焦测度值达到最大的位置作为所述被测物的表面位置而获取高度值，且使计算机执行本发明的所述第一形态的高度测定方法或第一形态的高度测定方法的优选形态。本发明的第二形态的高度测定用程序的特征在于优选为，使用包含多个像素的摄像装置来拍摄由成像光学系统获得的被测物的像，根据所述摄像装置的各像素的聚焦测度值而获取处于与所述摄像装置的各像素对应位置的所述被测物的表面位置的高度值；且使计算机作为高度值修正机构发挥功能，该高度值修正机构是由高度修正值求出对应于与所述各像素的位置对应的所述被测物表面的倾斜角度的所述高度修正值，对所求出的高度修正值加减所述测定出的高度值。本发明的第三形态提供一种高度测定装置，其特征在于包括包含多个像素的摄像装置，拍摄由成像光学系统获得的被测物的像；高度值获取部，连接于所述摄像装置，根据所述摄像装置的各像素的聚焦测度值获取处于与所述摄像装置的各像素对应的位置的所述被测物的表面位置的高度值；以及高度值修正部，连接于所述高度值获取部，根据与该各像素位置对应的所述被测物表面的倾斜角度修正为所述测定出的高度值。进而，本发明的高度测定装置的特征在于优选为，还包括倾斜角度获取部，根据与所述摄像装置的各像素对应的所述位置的所述高度值求出所述被测物表面的倾斜角度。本发明的高度测定装置优选为，所述高度值获取部，是通过针对所述摄像装置的各像素求出聚焦测度值达到最大的条件，而获取处于与所述摄像装置的各像素对应位置的所述被测物的表面位置的高度值；
所述聚焦测度值，是针对所述摄像装置的各像素，根据来自某个像素与位于所述某个像素周围的像素的输出而求出。而且，本发明的高度测定装置优选为，所述倾斜角度获取部，根据所述各像素的高度值求出所述被测物表面的暂定倾斜角度；所述高度值修正部，将与该暂定倾斜角度对应的所述高度修正值修正为所述各像素的所述高度值。进而，本发明的高度测定装置，优选为，所述高度值修正部及所述倾斜角度获取部，根据加减了与所述暂定倾斜角度对应的高度修正值的所述各像素的高度值，通过收敛计算来计算与所述各像素位置对应的所述被测物表面的倾斜角度及高度修正值。 根据本发明，可提供一种能够修正因被测物表面的倾斜角度所致的高度值的误差而获取更准确的高度值的高度测定方法、高度测定程序、以及高度测定装置。


图I是本申请一实施方式的高度测定装置的概略构成图。图2是该实施方式的高度测定装置的控制部装置的框图。图3A、图3B是表示因各种像差所致的高度值的误差的概念图，图3A表示被测物表面的真正的高度值，图3B表示由高度测定装置测定出的高度值。图4是表示倾斜角度与高度修正值的关系的概念图。图5是使用倾斜角度及与各像素位置对应的高度修正值进行修正时的概念图。图6是使用倾斜角度及一画面总括的高度修正值进行修正时的概念图。图7是使用接触探针获取角度修正值时的流程图。图8是使用纹理图案及投影图案获取角度修正值时的流程图。图9是使用标准球获取角度修正值时的流程图。图10是表示所述实施方式的高度测定装置中的高度修正算法的流程图。
具体实施例方式以下，一边参照附图一边说明本申请一实施方式的高度测定方法、高度测定程序、以及高度测定装置。另外，以下实施方式只为使发明的理解变得容易，并不排除本领域技术人员在不脱离本申请发明的技术性思想的范围内实施能够实施的添加、置换等情况。在图I、图2中，实施方式的高度测定装置I是在XY平台10上载置倾斜、旋转平台12，在该倾斜、旋转平台12上载置被测物14。被测物14通过倾斜、旋转平台12进行(0、①)的双轴倾斜。倾斜、旋转平台12的倾斜角度(0、①)通过0①控制部16由计算机18控制。而且，XY平台10的移动，是通过XY控制部20由计算机18控制。测量光学系统包括落射照明装置22和成像光学系统24，测量光学系统整体通过Z方向驱动部26而沿着成像光学系统24的光轴(Z方向)驱动。Z方向驱动部26通过Z方向驱动控制部28由计算机18控制驱动。另外，向Z方向的移动也可以是移动XY平台10。落射照明装置22包括光源22a、聚集来自光源的光并且照射到投影图案22b的透镜22c、使来自投影图案22b的光向半反射镜30方向射出的透镜22d、以及将由半反射镜30反射的投影图案投射到被测物14上的物镜32。投影图案22b可使用格子状图案、棋盘格花纹图案、条纹状图案等各种图案，根据被测物14的表面状态或者下述频率分离法等适当选择而进行投射。另外，投影图案22b可拔插于落射照明装置22的光轴，如果从光轴卸除，则可进行普通的落射照明。而且，在以下说明中，对已将投影图案投射在被测物14上的情况进行说明，当然普通的落射照明中也一样。投射在被测物14上的投影图案由物镜32聚光，穿透过半反射镜30，通过变焦透镜34由成像透镜36成像在包含多个像素的摄像装置38的摄像面(例如(XD(Charge CoupledDevice,电荷耦合器件))上。所拍摄的被测物14的像，通过计算机18的图像处理部进行处理，存储在计算机18的存储器18b并且显示在显示器18c中。本实施方式的高度测定装置I是通过公知的SFF (Shape From Focus (聚焦寻形)的简称，以下相同)而可测定被测物14的表面高度的装置。在SFF法中，将使测量光学系统在光轴方向上移动并且投射在被测物14上的投影图案的聚焦测度值信息，即例如对比度 达到最大的位置作为被测物表面位置进行高度测定。SFF法为公知的方法，省略详细的说明。如图2所不，计算机18包含CPU (Central Processing Unit,中央处理器)18a,存储器18b，SFF高度数据运算部18e，控制驱动控制部16、20、28的装置控制部18d，以及各种控制用或运算用的程序。而且，计算机18中连接着用以输入条件等的输入装置19(例如键盘、鼠标等)、或硬盘等外部存储装置21等。而且，在本实施方式的高度测定装置I中，可配设测定被测物14的表面倾斜角度0或高度值的未图示的接触式探针(以下简记为测试针(TP，Test Point))，将由该TP测定的倾斜角度或高度值存入计算机18中而可获取下述角度修正值。以此方式构成本实施方式的高度测定装置I。在以往的高度测定装置I中发现，如果SFF测定时所使用的落射照明装置22或成像光学系统24存在球面像差等各种光学像差，则被测物14的表面高度值会因表面倾斜角度而偏移测定，能预见高度值存在误差。另外，所谓倾斜角度是指有光线照射位置的物体切面的法线与铅垂轴(对应于光轴)所成的角度。而且，当光学系统中存在球面像差等各种像差时，该高度值的误差依赖于被测物14的表面倾斜角度而变化。其原因在于，在由透镜构成的光学系统中，与光轴I附近相比周边部的球面像差等各种像差较大，故而被测物14的表面倾斜角度越大，由表面反射的光的主光线通过透镜周边，造成高度值的误差越大。在本高度测定装置I中，可修正因该种各种光学像差产生的误差，从而达成测定被测物14表面的更准确的高度值。图3A、图3B是概念性表示高度值的误差的图。光学系统的各种像差一般旋转对称，故而所述倾斜角度也可以将一成分作为代表而使用，但是在具有非对称成分的光学系统中，必须伴随非对称的n成分的角度数据。在以下说明中，对旋转对称的情况进行叙述，当然在具有非对称成分的情况下也具有与其对应的数据。图3A表示本高度测定装置I中配设未图示的TP，包含测定被测物14的三维形状的结果的铅垂轴(与光轴相同)I的截面。当使用TP测量被测物14的表面时，高度值不存在误差而可获得真正的高度值Z。被测物14的位置P上的物体切面k的法线n与铅垂轴I所成的角度(倾斜角度)9可由至少三个TP测定数据算出。在TP测量中，获取被测物14的表面高度值作为各位置的倾斜角度e的函数。将其记为z ( 0 )。另一方面，在使用本高度测定装置I测量相同的被测物14的表面高度值的情况下，测定出的高度值Z’因球面像差等影响而存在误差。如图3B所示，所测量出的被测物14的表面像的高度值Z’被获取作为与被测物14的位置P对应的摄像装置38 (参照图I)的像素位置的高度值。而且，该像素位置的倾斜角度9可根据该像素周边的至少三个像素的高度值而算出。此处，倾斜角度0也是光轴I与光线入射位置的物体切面的法线n所成的角度。这样一来，在本高度测定装置I中，可获取已获取的被测物14的表面像的倾斜角度9及高度值Z’。将其记为Z’( 0 )。而且，获取使用TP测量被测物14而获取的高度值Z( 0 )与使用本高度测定装置I测量相同的被测物14而获取的Z’ ( 0 )的差量AZ ( 0 )，作为高度修正值AZ ( 0 ) (AZ(Q)=Z' ( 0 ) — Z ( 0 ))。相对于各种倾斜角度而获取高度修正值A Z并且将各种倾斜角度9与高度修正值AZ的关系作为角度修正值保存在计算机18的存储器18b中。 图4是针对摄像装置38的一个像素使各种倾斜角度0与高度修正值A Z的关系图表化的一例。表示了高度修正值AZ随着倾斜角度0变大而变大的情形。其原因在于，如上所述在由透镜构成的光学系统中，与光轴I附近相比周边部的球面像差等各种像差较大，故而被测物14的表面倾斜角度0越大，由表面反射的光的主光线通过透镜周边，高度值的修正值越大。而且，根据图4所示的倾斜角度与修正值的关系，通过由所测定出的数据进行插值计算求出未测定倾斜角度的角度而可获得各种倾斜角度所对应的高度修正值。这样一来，在本高度测定装置I中，预先获取与落射照明装置22或成像光学系统24的条件对应的所述角度修正值并且保存在存储器18b中，与使用高度测定装置I测量的被测物14的表面像的光线入射位置对应的像素的倾斜角度，根据该像素的周边像素算出，使用与所算出的倾斜角度对应的高度修正值修正所测量出的像素的高度值，由此可算出被测物14的真正的高度值(Z = Z’ - AZ)。而且，通过在被测物14的整个表面进行相同处理而可更准确地获取被测物14的高度值。图5、图6是概念性地表示本高度测定装置I中的所述角度修正值的内容的图。在图5中，表示的是角度修正值的数据针对各倾斜角度(例如0 I 0 5)在摄像装置38的每个像素中获取并保存高度修正值的情况。在这种情况下，修正数据具有与将所测定的倾斜角度的数量与像素个数相乘所得数相应的个数。此种与所有像素对应的位置的倾斜角度所对应的高度修正值，适于光学系统的球面像差等各种像差对高度测定值的影响较大的情况。例如，在相对于光轴附近的像素位置周边附近的像素位置的角度修正值(倾斜角度所对应的高度修正值AZ)变大的情况下(相当于一倾斜角度0所对应的各像素的高度修正值AZ较大不均的情况)，如果使用一个高度修正值修正所测定出的高度值，则会有精度不足、无法求出准确的高度值之虞，但通过具有与所有像素对应的高度修正值可进行高精度的高度值修正。这样一来，通过具有与所有像素对应位置的倾斜角度所对应的高度修正值，即便在各种像差较大的光学系统中，也可以进行高精度的高度值修正。在图6中，表示的是角度修正值的数据针对各倾斜角度(例如0 I 0 5)使用摄像装置38的所有像素位置的高度修正值算出最小二乘平面(least-squares plane),将与该最小二乘平面的中心的偏移作为代表高度修正值获取并保存的情况。在这种情况下，修正数据包含与所测定的倾斜角度的数量对应的数据。此种将对应于倾斜角度的代表高度修正值作为数据保持的情况，适于光学系统的球面像差等各种像差对高度测定值的影响较小的情况。例如，在相对于光轴附近的像素位置，周边附近的像素位置的角度修正值(倾斜角度所对应的高度修正值AZ)较小的情况下(相当于一倾斜角度0所对应的各像素的高度修正值AZ的不均较小的情况)，即便使用一个高度修正值修正所测定出的高度值，也能够以高精度进行高度修正。这样一来，通过以一画面总括而具有对应于倾斜角度的高度修正值，而能够以较少的数据量进行高精度的高度值修正，从而可实现高度测定装置I中的测量的高速化。另外，是对应于所有像素具有角度修正值、还是以画面总括具有角度修正值，这只要根据高度测定装置I的光学系统的像差特性适当选择即可。而且，角度修正值也可以根据倾斜角度使所有像素数据及画面总括数据混合而具有。还可以在像差影响较小的倾斜角度中具有画面总括的高度修正值，在像差影响较大的倾斜角度中具有所有像素位置的高度修正值。由此，可减少角度修正值的数据量。接着，分别参照流程图说明角度修正值的获取方法及使用该角度修正值测量出的高度值的修正方法。
(第一角度修正值获取方法)图7是表示使用标准平面获取角度修正值的第一角度修正值获取方法的流程图，按照以下步骤进行说明。另外，在本获取方法中，如果标准平面为可获得纹理等的对比度的，则无需使用落射照明装置22投射投影图案22b，当然，在无法获得对比度的镜面表面的情况下，投射投影图案22b并进行SFF测定。
(步骤SI)操作者将标准平面(镜面)载置在高度测定装置I的倾斜、旋转平台12上，在计算机18中输入测定角度的初始角度值0 O、测定角度间距值△ 0、测定数n、以及是否获取各像素的高度修正值。(步骤S2)XY平台10及倾斜、旋转平台12分别通过XY平台控制部20、0 O控制部16接收来自计算机18的指示而将标准平面设定在特定位置、及初始角度值0 O。(步骤S3)计算机18通过未图示的TP装置多点测定标准平面，运算并且记录与多点测定出的位置对应的摄像装置38的各像素位置的高度值。(步骤S4)计算机18使用最小二乘法等根据所记录的TP装置测出的高度值求出标准平面的平面式。而且，求出与标准平面垂直的法线，将该法线与铅垂轴(相当于光轴)所成的角度记录为倾斜角度。(步骤S5)计算机18通过使用摄像装置38的高度测定装置I的SFF测定来测定所述标准平面的高度值，并且记录为摄像装置38的各像素位置的SFF高度值。(步骤S6)计算机18根据是否获取步骤SI中输入的各像素的高度修正值来选择以后的处理。当获取各像素的高度修正值时执行步骤S7，当获取画面总括的高度修正值时执行步骤S8。(步骤S7)计算机18计算步骤S3中记录的由TP装置获取的与各像素对应的位置的高度值测定数据与步骤S4中记录的各像素位置的SFF高度值的差量并且执行步骤S10。(步骤S8)计算机18根据步骤S5中记录的各像素位置的SFF高度值来计算最小二乘平面。另外，除了计算最小二乘平面以外也可以算出与所有像素对应位置的高度值的平均值。(步骤S9)
计算机18算出步骤S8中算出的最小二乘平面与步骤S4中算出的平面式的差量作为高度修正值并且执行步骤S10。另外，作为高度修正值，也可以使用所有像素的高度值的平均值与步骤S4中算出的平面式的平均高度值的差量。(步骤S10)计算机18将各像素对应位置的高度修正值与倾斜角度建立关联并且作为角度修正值保存在存储器18b中。或者，计算机18将倾斜角度所对应的画面总括的高度修正值作为角度修正值保存在存储器18b中。(步骤SI I)计算机18判定测定数是否达到步骤SI中初始输入的测定数n，如果未达到，则返回到步骤S2，获取下一个倾斜角度(0 = 00 + A 0 Xn)所对应的角度修正值。当达到测定数n时，结束角度修正值的获取流程。计算机18通过以上步骤结束第一角度修正值的获取。所获取的角度修正值通过下述流程使用于高度测定装置I的高度值修正中，从而达成高精度的高度测定。(第二角度修正值获取方法)图8是表示使用标准平面获取角度修正值的第二角度修正值获取方法的流程图，按照以下步骤进行说明。另外，在本获取方法中，标准平面具有纹理图案，使用落射照明装置22投射投影图案22b并进行SFF测定，根据两者的高度值测定数据获取角度修正值。而且，对与第一角度修正值获取方法相同的步骤标注相同的步骤编号进行说明。另外，所投射的投影图案22b与纹理图案的频率成分优选为不同。通过使用不同频率成分的图案，可实现高度测量时两者的分离。(步骤SI)操作者将标准平面(有纹理)载置在高度测定装置I的倾斜、旋转平台12上，在计算机18中输入测定角度的初始角度值0 O、测定角度间距值△ 0、测定数n、以及是否获取各像素的高度修正值。(步骤S2)XY平台10及倾斜、旋转平台12分别通过XY平台控制部20、0 O控制部16接收来自计算机18的指示而将标准平面设定为特定位置、及初始角度值0 O。(步骤S23)计算机18通过高度测定装置I的落射照明装置22而将投影图案22b投射在表面上并进行SFF测定，通过SFF高度数据运算部18e运算并记录与摄像装置38的各像素位置对应的高度值。此时，高度测定装置I设定为以投影图案22b的频率成分来测量高度值。(步骤S24)计算机18进行纹理图案的SFF测定，通过SFF高度数据运算部18e运算并记录与摄像装置38的各像素位置对应的高度值。此时，高度测定装置I设定为以纹理图案的频率成分来测量高度值。(步骤S25)计算机18计算步骤S23中记录的投射标准平面上的投影图案22b而获取的各像素位置的高度值与步骤S24中记录的由纹理图案获取的各像素位置的高度值的差量，获取各像素位置的高度值的差量。(步骤S26)
计算机18根据是否获取步骤SI中输入的各像素的高度修正值来选择以后的处理。当获取各像素的高度修正值时执行步骤S27，当获取画面总括的高度修正值时执行步骤S28。(步骤S27)计算机18将步骤25中算出的差量作为高度修正值并且执行步骤S10。(步骤S28)计算机18根据步骤S23中记录的投射投影图案22b而获取的各像素位置的高度值、及步骤S24中记录的根据纹理图案获取的各像素位置的高度值，来分别计算最小二乘平面。另外，除了计算最小二乘平面以外，还可以分别算出所有像素的高度值的平均值。(步骤S29)计算机18算出步骤S28中算出的各最小二乘平面的差量作为高度修正值并且执行步骤S10。另外，作为高度修正值，当分别算出所有像素的高度值的平均值时，也可以使用两平均值的差量。(步骤S10)计算机18将对应于各像素的位置的高度修正值与倾斜角度建立关联并作为角度修正值保存在存储器18b中。或者，计算机18将倾斜角度所对应的画面总括的高度修正值作为角度修正值保存在存储器18b中。(步骤SI I)计算机18判定测定数是否达到初始输入的测定数n，如果未达到，则返回到步骤S2，获取下一个倾斜角度(0 = 00 + A 0 Xn)所对应的角度修正值。当达到测定数n时，结束角度修正值的获取流程。通过以上步骤，计算机结束第二角度修正值获取。所获取的角度修正值通过下述流程使用于高度测定装置I的高度值修正中，从而达成高精度的高度测定。(第三角度修正值获取方法)图9是表示使用标准球获取角度修正值的第三角度修正值获取方法的流程图，按照以下步骤进行说明。另外，在本获取方法中，只要标准球面是可获得纹理等的对比度的，则无需使用落射照明装置22投射投影图案22b，当然，在无法获得对比度的镜面表面的情况下，则投射投影图案22b并进行SFF测定。而且，由于被测物为球体，故而无需使用高度测定装置I的倾斜、旋转平台12而从XY平台12上卸除。
(步骤S31)操作者将标准球的表面的位置坐标(X，Y)、坐标位移量(AX, A Y)、测定数n输入到计算机18中。(步骤S32)计算机18重复进行以下步骤的测量。(步骤S33)计算机18通过XY平台驱动控制部20将高度测定装置I的XY平台10移动到指定位置，将标准球安放在光学系统的光路中。(步骤S34) 运算并记录摄像装置38的各像素位置的高度值。(步骤S35)计算机18计算标准球的表面的各像素位置的真正的高度值与SFF测定的各像素位置的高度值的差量，并且记录为高度修正值。此处，标准球的表面的真正的高度值是根据所述标准球的表面的位置坐标(X、Y)、及该坐标位置的切面的法线与铅垂轴(对应于光轴I)所成的倾斜角度而求出的高度值。如果将标准球的半径设为R，将该倾斜角度设为V，则真正的高度值H成为H = R (I + cos￥)0另外，所述真正的高度值也可以使用利用表面具有纹理的标准球且通过高度测定装置I进行高度测定的高度值，以代替使用所述方法求出。(步骤S36)计算机18将步骤S35中求出的各像素位置的倾斜角度与根据差量求出的高度修正值成对记录。(步骤S37)计算机18判定测定次数是否达到初始设定的测定数n，当未达到测定数时，返回到步骤S32，以位置坐标(X，Y)加上坐标位移量(AX，AY)所得的位置坐标执行以后的步骤。当测定次数达到测定数n时，执行步骤S38。(步骤S38)将所述步骤S32至S37间获取的多个倾斜角度与高度修正值针对每个倾斜角度排列数据，通过插值处理求出并记录未测量的倾斜角度的高度修正值。(步骤S39)计算机18从所述倾斜角度的数据的最小值起重复执行步骤S40至S46的处理直至达到最大值为止。(步骤S40)计算机18将高度修正值从所指定的倾斜角度(从最小值到最大值)中的对高度修正值进行插值处理并记录的数据中抽出。在同一倾斜角度中存在多个高度修正值的情况下，将它们的平均值设为该倾斜角度的高度修正值。(步骤S41)计算机18根据是否获取各像素的高度修正值来选择以后的处理。在获取各像素的高度修正值时执行步骤S42，在获取画面总括的高度修正值时执行步骤S43。
(步骤S42)计算机18设定与步骤S35中记录的倾斜角度对应的各像素位置所对应的位置的高度修正值，并执行步骤S45。(步骤S43)计算机18根据与步骤S35中记录的倾斜角度对应的各像素位置的高度修正值来计算最小二乘平面。另外，除了计算最小二乘平面以外，还可以算出所有像素的高度修正值的平均值。(步骤S44)计算机18将步骤S43中算出的摄像装置的各像素位置的最小二乘平面的高度修 正值与标准球的各像素位置的高度的差量设定为高度修正值并执行步骤S45。(步骤S45)计算机18将所计算出的高度修正值与倾斜角度建立关联且作为角度修正值保存在存储器18b中。在这种情况下，相对于一个倾斜角度记录与摄像装置的像素个数相应数量的高度修正值。或者，计算机18将倾斜角度所对应的画面总括的高度修正值作为角度修正值保存在存储器18b中。(步骤S46)计算机18判定倾斜角度是否从最小值进行至最大值，当未进行时，跳至步骤S39。在除此以外的情况下，结束处理。通过以上步骤，计算机结束第三角度修正值获取。所获取的角度修正值通过下述流程使用于高度测定装置I的高度值修正中，从而达成高精度的高度测定。(高度值修正方法)接着，一边参照图10的流程图，一边说明使用通过所述第一至第三角度修正值获取方法而获取的角度修正值对本高度测定装置I所测量出的高度值的修正方法。(步骤S51)计算机18将存储在存储器18b中的角度修正值数据读入到CPU18a的存储器中。(步骤S52)计算机18通过高度测定装置I对载置在XY平台10上的被测物14进行SFF测定，通过SFF高度运算部18e运算并记录载置在XY平台10上的被测物14的表面的高度值。(步骤S53)计算机18对所有像素重复进行步骤S54至S55，算出与所有像素对应的位置的倾斜角度。(步骤S54)在步骤52中所有高度值测量结束后，计算机18根据对象像素周围的三个像素的高度值来算出像素位置的被测物14的倾斜角度。(步骤S55)计算机18根据角度修正值求出与像素位置的所算出的倾斜角度对应的高度修正值，用所求出的高度修正值修正像素的高度值，记录所修正的高度值。另外，在针对每个像素进行高度值修正的情况下，计算机18使用保存着图5所示的倾斜角度及所有像素所对应的高度修正值的角度修正值。另一方面，在以画面总括进行高度值修正的情况下，计算机18使用保存着图6所示的倾斜角度及画面总括的高度修正值的角度修正值。(步骤S56、S57)计算机18使用步骤S55中所修正的各像素的高度值，再次算出各像素的倾斜角度。而且，计算机18针对所有像素，计算并记录由进行高度修正前的高度值计算出的倾斜角度与再次计算出的倾斜角度的差量。(步骤S58)计算机18合计各像素的倾斜角度的差量值。(步骤S59)计算机18判定差量值的合计值是否为预先决定的阈值以下，如果为阈值以下，则结束测量。另一方面，当差量的合计值超过阈值时，计算机18跳至步骤S54重复以后的处·理。这样一来，通过进行重复计算倾斜角度的收敛计算，而求出更准确的倾斜角度，由此可进行更准确的高度修正。另外，当然在所述各方法中，处理是通过计算机18的SFF高度数据运算部18e或CPUlSa执行的各程序而进行。如上所述，本实施方式的高度测定装置保持包含与预先通过所述第一至第三的任一种角度修正值获取方法而获取的倾斜角度对应的高度修正值的角度修正值，由此使用该高度修正值修正由高度测定装置测定出的被测物的高度值，可修正高度测定装置中所使用的光学系统的球面像差等各种像差导致的高度值的误差，而可进行高精度的高度测定。其结果，本高度测定装置可更准确地测量被测物的三维形状。
权利要求
1.一种高度测定方法，其特征在于其使用于高度测定装置中，所述高度测定装置是使用落射照明装置照明被测物或者对所述被测物投射投影图案，沿着光轴方向扫描且使用成像光学系统的摄像装置拍摄所述被测物或所述投影图案，将所述摄像装置中的聚焦测度值达到最大的位置作为所述被测物的表面位置而获取高度值；且 预先求出对应于所述被测物表面的倾斜角度的高度修正值作为角度修正值， 根据所述摄像装置的各像素的所述高度值求出与所述各像素位置对应的所述被测物表面的所述倾斜角度，根据所述角度修正值求出与所求出的所述倾斜角度对应的所述高度修正值，使用所求出的高度修正值修正与所述各像素对应的所述被测物的表面的高度值。
2.根据权利要求I所述的高度测定方法，其特征在于 求出与所述各像素位置对应的所述被测物表面的倾斜角度作为根据所述各像素的高度值求出的所述被测物表面的暂定倾斜角度，对所述各像素的所述高度值加减与该暂定倾斜角度对应的所述高度修正值。
3.根据权利要求I或2所述的高度测定方法，其特征在于 根据加减了与所述暂定倾斜角度对应的高度修正值的所述各像素的高度值，通过收敛计算来计算与所述各像素位置对应的所述被测物表面的倾斜角度及高度修正值。
4.根据权利要求I所述的高度测定方法，其特征在于 所述角度修正值，为由所述摄像装置拍摄的一画面所对应的所述倾斜角度与所述高度修正值。
5.根据权利要求4所述的高度测定方法，其特征在于 所述一画面所对应的所述高度修正值，为从根据对应于所述各像素位置的所述被测物表面的倾斜角度求出的最小二乘平面的中心值偏移的值。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的高度测定方法，其特征在于 预先求出所述高度修正值时所使用的所述被测物，为标准平面镜。
7.根据权利要求I至5中任一项所述的高度测定方法，其特征在于 预先求出所述高度修正值时所使用的所述被测物，为球径已知的标准球。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的高度测定方法，其特征在于 所述被测物，具有纹理图案， 所述纹理图案与所述投影图案的空间频率不同， 所述角度修正值，为包含与所述各像素位置对应的所述被测物表面的倾斜角度、及基于所述纹理图案所得出的高度值测定结果与基于所述投影图案所得出的高度值测定结果的差量的所述高度修正值。
9.一种高度测定用程序，其用于高度测定装置中，所述高度测定装置是使用落射照明装置照明被测物或者对所述被测物投射投影图案，沿着光轴方向扫描且由成像光学系统的摄像装置拍摄所述被测物或所述投影图案，将所述摄像装置中的聚焦测度值达到最大的位置作为所述被测物的表面位置而获取高度值；且 使计算机执行权利要求I至8中任一项所述的高度测定方法。
10.一种高度测定装置，其特征在于使用落射照明装置照明被测物或者对所述被测物投射投影图案，沿着光轴方向扫描且使用成像光学系统的摄像装置拍摄所述被测物或所述投影图案，将所述摄像装置中的聚焦测度值达到最大的位置作为所述被测物的表面位置而获取高度值；且 包括权利要求I至8中任一项所述的高度测定方法、及执行权利要求9所述的高度测定用程序的计算机。
11.一种高度测定用程序，其特征在于其用于高度测定装置中，所述高度测定装置是使用落射照明装置照明被测物或者对所述被测物投射投影图案，沿着光轴方向扫描且由成像光学系统的摄像装置拍摄所述被测物或所述投影图案，将所述摄像装置中的聚焦测度值达到最大的位置作为所述被测物的表面位置而获取高度值；且 使计算机作为如下机构发挥功能 获取机构，预先获取所述被测物表面的倾斜角度所对应的高度修正值作为角度修正值； 角度算出机构，根据使用所述摄像装置拍摄的像的各像素的高度值来求出与该各像素位置对应的所述被测物表面的倾斜角度；以及 高度值修正机构，根据所述角度修正值求出与所求出的该倾斜角度对应的所述高度修正值，对所述测定的高度值加减所求出的高度修正值。
12.—种高度测定装置，其特征在于使用落射照明装置照明被测物或者对所述被测物投射投影图案，沿着光轴方向扫描且由成像光学系统的摄像装置拍摄所述被测物或所述投影图案，将所述摄像装置中的聚焦测度值达到最大的位置作为所述被测物的表面位置而获得高度值；且包括 保存机构，将预先获取的所述被测物表面的倾斜角度所对应的高度修正值作为角度修正值进行保存； 角度算出机构，根据使用所述摄像装置拍摄的像的各像素的高度值来求出与该各像素位置对应的所述被测物表面的倾斜角度；以及 高度值修正机构，根据所述角度修正值求出与所求出的该倾斜角度对应的所述高度修正值，对所述测定的高度值加减所求出的高度修正值。
全文摘要
本发明是使用落射照明装置照明被测物或者对被测物投射投影图案，沿着光轴方向扫描且由成像光学系统的摄像装置拍摄被测物或投影图案，将摄像装置中的聚焦测度值达到最大的位置作为被测物的表面位置而获取高度值的高度测定方法、高度测定程序以及高度测定装置。该高度测定方法、程序以及装置是预先求出与被测物表面的倾斜角度对应的高度修正值作为角度修正值，由摄像装置的各像素的求出的高度值求出与各像素位置对应的被测物表面的倾斜角度，由角度修正值求出与所求出的倾斜角度对应的高度修正值，使用所求出的高度修正值修正与各像素对应的被测物的表面的高度值。
文档编号G01B11/02GK102803895SQ20118001413
公开日2012年11月28日 申请日期2011年3月8日 优先权日2010年3月16日
发明者铃木康夫, 山口雅哉 申请人:株式会社尼康