JP2010539469A - 周期パターン照明及びｔｄｉによる結像測定システム - Google Patents

Abstract

構造化照明、モアレ手法、３Ｄ結像、及び３Ｄ計測等のパターン化照明による高スループット結像及び測定のためのパターン化ＴＤＩセンサーであって、前記パターン化ＴＤＩセンサーは、ピクセル配列を備え、それぞれのピクセルは、前記ピクセル配列にわたって周期パターンに従って変化するそれぞれの光感度を有する。物体の測定においては、前記物体にわたって周期的に変化する照明によって物体を走査し、反復長が照明の反復長に一致するパターン化ＴＤＩセンサーによって物体を結像し、ＴＤＩセンサーの出力信号を解析することによって物体の高さや画像等の情報を抽出する。

Description

本発明は、構造化照明(structured illumination)又はモアレ手法としても知られる周期パターン照明による結像測定システムに関し、より詳細には、このようなシステムのスループットの向上に関する。

通常、周期パターンによる結像及び測定システムでは、結像分解能を向上させ、焦点面で画像情報を識別して物体の高さを測定するため、正弦波周期照明(sinusoidal periodic illumination)を使用する。これらの手法では、標準的な共焦点結像顕微鏡法や標準的な三角高さ測定システムよりも優れた光効率と速度と分解能が見込まれる。例えば、Rainer Heintzmann, Handbook of Biologic Confocal Microscopy 3^rd edition, chapter 13 "Structured Illumination Methods (構造化照明法)", Springer 2006を参照されたい。スループットを制限する主な要因は、光強度が不十分であること、照明の位相を変えつつ同じ物体を数回結像する必要があること、光学像からの情報の抽出において、多数の計算が要求されることである。画像を抽出するためのシステムであっても、高さを測定するシステムであっても、周期パターン照明を使用するシステムのほとんどは、以下の要素を含む：
−周期パターンによって物体を照明するステップ、
−物体に対してパターンの位相を変えつつ物体を走査するステップ、
−走査しつつ物体を結像するステップ、
−数理解析によって所要のパラメーター（高さ又は画像）を抽出するステップ。

米国特許第０５８６７６０４号には、周期パターン照明で物体を走査することによって光学式結像システムの方位分解能を向上させる方法が開示されている。米国特許第０５８６７６０４号の教示によれば、周期パターン照明を用いて物体を照明する場合は、光学像の数値処理により２つの合成像、具体的にはＳ_１及びＳ_２を抽出できる。Ｓ_１は、高周波範囲で光学変調伝達関数（ＭＴＦ）よりも優れた伝達関数による物体反射率の線形変換である。したがって、Ｓ_１は、物体の詳細な識別において、光学像そのものよりも分解能に優れる。Ｓ_２は、Ｓ_１のヒルベルト変換である。焦点外では、周期パターン照明の変調が弱まるため、Ｓ_１とＳ_２で識別できる情報は、焦点内に限る（スライシング・クオリティー）。
結像のスライシングと分解能の向上とは別に、工業用計測装置では、半導体バンプ等の物体の高さの測定に、周期パターン照明法を使用する。周期パターン照明を用いて物体を角度αで一方向から照明し、角度βで別の方向から結像すると、結像面におけるパターンの位相は、物体の高さに左右される。格子と傾斜角照明を用いるこの高さ測定の構成は、モアレ手法とも称される。米国特許第０７０２３５５９号には、ソルダーバンプ等の物体の高さを周期パターン照明で測定する測定システムが開示されている。米国特許第０７０２３５５９号の教示によれば、物体に格子光を投射することによって周期パターン照明を生成し、物体を別の角度からカメラで撮影する。格子の位置がそれぞれ異なる（位相が異なる）カメラによる数枚の映像から物体の高さを解析する。既知の標的による較正により、この工程で測定された位相に物体の高さが関係付けられる。
米国特許第０６６０３１０３号には、周期パターン照明と連続走査による測定システムが開示されている。米国特許第０６６０３１０３号の教示によれば、格子光で物体を照明し、３本のＣＣＤ（三線アレイ）で結像する。物体は、一定の速度で動くため、物体の各点は、それぞれ異なるＣＣＤ線によりそれぞれ異なる位相で、３回結像されることになる。これらの３つの画像のフーリエ解析により、信号の位相を解析し、物体の高さを測定することができる。

米国特許第０５８６７６０４号 米国特許第０７０２３５５９号 米国特許第０６６０３１０３号 米国特許第０４８７７３２６号 米国特許第０６７１４２８３号

Rainer Heintzmann, Handbook of Biologic Confocal Microscopy 3rd edition, chapter 13 "Structured Illumination Methods (構造化照明法)", Springer 2006

均一照明による連続走査では、周期パターン照明ではなく、一般的に、時間遅延積分方式（ＴＤＩ）センサーを使用する。米国特許第０４８７７３２６号に開示の検査システムは、細い線に沿って実質的に均一な集束照明を提供する照明装置と、物体を結像するＴＤＩセンサーと、を含む。米国特許第０４８７７３２６号の教示によれば、検査工程には光を制限する傾向があり、ＴＤＩによって検査速度を落とさずに積分時間を増やすことができるため、ＴＤＩの検査への応用は、魅力的である。時間遅延積分工程によって、当初の照明パターン情報は、最終的になくなるため、米国特許第０４８７７３２６号に記載されたＴＤＩセンサーを備えるほとんどの走査システムでは、周期パターン照明を使用できない。米国特許第０６７１４２８３号には、ＴＤＩ素子と構造化照明を使って距離を測定するセンサー及び方法が開示されている。ＴＤＩ工程での距離情報の消失を回避するため、光ビームの反射に対する素子の曝露は、ＴＤＩ素子の取得サイクルの最初の積分期に制限される。米国特許第０６７１４２８３号の教示により、ただ１つの積分期にＴＤＩを制限することによって、位相情報の消失は、回避されるが、センサーについて可能な積分時間のごく一部しか使われないため、光制限の用途には、ＴＤＩを使用できない。

本発明は、周期パターン光によって物体を照明し、パターン化感度時間遅延積分（ＴＤＩ）センサーによって物体を結像する光学式走査結像システムを提供することにより、先行技術の限界を克服するものである。かかるパターン化感度ＴＤＩセンサーは、ピクセル配列を含み、そのピクセルの光感度は、ピクセル配列にわたって周期的に変化し、センサーに対する結像時に、照明と同じ周期を有する。例えば、センサーを遮蔽することにより、いくつかのピクセルは、完全にまたは部分的に光から遮断される。パターン化感度によるＴＤＩセンサーの積分工程は、構造化照明で位相と振幅を抽出するために必要な数理解析の一部となるため、計算時間の節約とスループットの向上につながる。
本発明で開示する物体結像のためのパターン化ＴＤＩセンサーはピクセル配列を含み、かかるピクセルは、配列にわたって周期パターンに従い変化するそれぞれの光感度を有する。本発明は、更に物体を検査する方法を提供する。かかる方法は、物体にわたって周期的に変化する照明によって物体を走査するステップと、反復長が照明の反復長に一致するパターン化感度ＴＤＩセンサーによって物体を結像するステップと、物体についての情報を抽出するためＴＤＩセンサーの出力信号を解析するステップと、を含む。かかる情報は、物体の画像又は高さである。
したがって、ここに開示する物体結像のためのＴＤＩセンサーは、ピクセル配列を含み、かかるピクセルは、配列にわたって周期パターンに従い変化するそれぞれの光感度を有する。
多くの実施形態において、ピクセルは、複数の列に配置され、隣接する列間には、周期パターンの位相シフトが導入される。一実施形態においては、パターンが各列に沿って６つのピクセルの周期長を有し、パターンの位相は、隣接列間で２つのピクセルずつシフトする。別の実施形態においては、パターンが各列に沿って４つのピクセルの周期長を有し、パターンの位相は、隣接列間で１つのピクセルずつシフトする。
ここで開示する物体を検査する方法は、（ａ）物体にわたって周期的に変化する照明によって物体を走査するステップと、（ｂ）周期的に変化する光感度を有する複数のピクセルを含み、光感度の反復長は、照明の反復長に一致するパターン化感度ＴＤＩセンサーによって物体を結像するステップと、（ｃ）物体についての情報を抽出するためＴＤＩセンサーの出力信号を解析するステップと、を含む。
通常、情報は、物体の高さ及び／又は物体の画像を含む。いくつかの実施形態において、画像は、物体の焦点内情報のみを含む。別の実施形態において、画像は、周期パターン照明による位相内情報及び／又は周期パターン照明による９０度位相外情報を含む。
開示されたＴＤＩセンサーと周期パターン照明によって物体を照明する照明器とを備える結像装置も開示され、ここで周期パターン照明は、前記ＴＤＩピクセルの周期パターンに一致する。

周期パターン照明とパターン化感度ＴＤＩセンサーとによって物体を検査するシステムの概略図である。 本発明の一実施形態における、感度パターン化ＴＤＩセンサーのピクセル配列の部分模式図である。 感度パターン化ＴＤＩセンサーのピクセル配列を示す別の模式図である。 本発明の一実施形態における、スライシング及び高分解能によって物体を結像する光学構成を示す図である。 １つの焦点面での図４の光学構成のスライシング能力を実証する図である。 別の焦点面での図４の光学構成のスライシング能力を実証する図である。 本発明の別の実施形態における、非垂直の照明角度によって物体の高さを測定する光学構成を示す図である。 本発明のＴＤＩセンサーの詳細を示す図である。

本発明を、例示としてのみ添付の図面を参照しつつ以下に説明する。
本発明は、本発明の一実施形態の概略的レイアウトを示す図１からより良く理解できよう。図１に示す物体２は、周期照明パターン１によって照明される。周期パターンによって照明する手段は、後部光源によって照明された格子の画像を投射することを含む。周期パターン照明の強度は、望ましくは反復長δにより正弦的に変化する。光学式結像システム３は、パターン化感度ＴＤＩセンサー４上に物体の光学像を生成する。ＴＤＩセンサーは、一般的なラインカメラ同期法によりＴＤＩセンサーと同期する一定速度Ｖで物体を走査しつつ、光学像を数値データに変換し、プロセッサー５がこのデータを解析することによって物体の情報を抽出する。
図８は、ＴＤＩセンサーの詳細を示す図である。このＴＤＩセンサーは、光強度に反応するピクセル配列２１を備える。典型的な配列は、１２８行×４，０００列のピクセルを有する。ＴＤＩセンサーの時間遅延積分工程では、ピクセルが同一列内の隣接ピクセルから電荷を受け、光強度に応じて更に電荷を加え、列に沿って次のピクセルへ電荷を移動する。１つのピクセルから次のピクセルへの電荷移動は、物体の走査速度と同期する。ＴＤＩ信号出力は、物体の同じ点を結像している時に列に沿って生成される電荷の積分である。サンプリングの後、数値データは、図１のプロセッサー５へ送信される。図８の表示Ａは、ピクセル配列の小領域２３を拡大した表示である。

図２に示す本発明の一実施形態による感度パターン化ＴＤＩセンサーのピクセル配列の部分模式図は、図８の表示Ａをより詳細に示すものである。好適な実施形態のＴＤＩ配列は、白い正方形と黒い正方形とでそれぞれ表示された活性ピクセル（active pixel）と非活性ピクセル（inactive pixel）とを含む。活性ピクセルは、光強度に反応し、非活性ピクセルは、例えば、これらのピクセルを遮蔽することによって、光に反応しない状態になっている。時間遅延積分工程では、活性ピクセルが同一列内の隣接ピクセルから電荷を受け、光強度に応じて更に電荷を加え、列に沿って次のピクセルへ電荷を移動する。１つのピクセルから次のピクセルへの電荷移動は、物体の走査速度と同期する。非活性ピクセルも電荷を受けて電荷を移動させるが、光には反応しないため、非活性ピクセルは、電荷を加えることはない。非活性ピクセルは、遮蔽によりピクセルへの光の到達を防ぐ場合と、電気的に非活性になる場合と、がある。活性ピクセルと非活性ピクセルは、Ｌピクセルの反復長により反復パターンを形成し、これは、次のように照明反復長δに一致する。

ここで、Ｇは、光学倍率であり、ｐは、ピクセルサイズである。ＴＤＩピクセル配列のどの列も、同じ周期パターンを有するが、Ｍピクセルの隣接列間にシフトがあるため、隣接列間には、位相シフト（ラジアン単位）が生じる。

整数Ｎは、次式により定義される。

Ｎは、ピクセル配列の行に沿った反復長であり、これは、活性ピクセルと非活性ピクセルからなるパターンがＮ列ごとに同じになることを意味する。ＬとＭは、Ｎが整数となるように選択される。図２は、Ｌ＝６、Ｍ＝２、及びＮ＝３ピクセルによる一例を示す。図３は、Ｌ＝４、Ｍ＝１、及びＮ＝４による別の実施形態を示す図であるが、別の構成を考慮してもよい。ＴＤＩセンサーのパターン化感度は、照明パターンに一致するため、時間遅延積分工程において、いずれかの列における出力では、画像の振幅及び位相情報が測定され、このセンサーに隣接する列では、式（２）のξに等しい位相シフトにより、基本的に同じ振幅が測定されることになる。図１のプロセッサー５によるフーリエ解析では、１組のＮ個の隣接列にわたって、画像の振幅と位相の両方を解析する。プロセッサー５は、更に物体の高さを解析し、この物体の高さは、位相に関係付けられる。これとは別の光学構成では、プロセッサー５が合成像Ｓ_１及びＳ_２を解析し、これらは、振幅及び位相の両方に関係付けられる。

図４は、スライシング及び高分解能によって物体を結像する光学構成を示す図である。物体は、周期パターン１によって照明され、パターン化感度ＴＤＩセンサー４により、物体２に対して垂直の同じ角度方向で結像される。照明と結像の光ビームを組み合わせるため、ビームスプリッター７を使用する。照明パターンの投射と物体の結像には、同じ対物レンズ３１を使用する。図４の光学構成は、２つのチューブレンズからなり、照明のためのチューブレンズ３３と、ＴＤＩセンサーに向けての結像のためのチューブレンズ３２とからなる。図１と同様、プロセッサー５は、ＴＤＩセンサー４によって取得した画像の振幅と位相を解析する。図５及び６は、高さ１００μｍの球形ソルダーバンプの結像で、周期パターン照明のスライシング能力を実証する図である。図５に示すソルダーバンプ像の焦点面は、図６のものよりも高い。焦点深度内の狭いスライスのみが照明パターンによって変調される。

図７は、周期パターン照明によって物体の高さを測定する光学構成を示す図である。物体２は、周期パターン１によって角度αで照明され、角度βから結像される。光学式結像システム３は、パターン化感度ＴＤＩセンサー４上に物体の光学像を生成する。ＴＤＩセンサー４は、光学像を電気信号に変換し、かかる電気信号は、物体を一定速度Ｖで走査している間に数値データに変換される。プロセッサー５は、データを解析し、物体の高さ情報を抽出する。照明と結像の角度によって、物体の高さｈと像面に結像される位相シフトφとの間には、直線関係がある。角度α及びβは、機械公差に影響されるため、位相及び高さの依存度を測定して較正しなければならない。かかる較正には、それぞれ異なる既知の高さを有する複数の特徴を備える較正標的（例えば、階段状標的）を使用するか、平坦な標的を動かすことで既知の変位量により標的の高さを変える。球形標的を使用して、これを干渉計により較正することも可能である。

数学的定式化
図１の結像システムをより良く理解するため、照明１と光学機器に対して速度Ｖで移動する物体上の点６について検討する（物体２が照明１に対して移動、あるいは照明１が物体２に対して移動）。移動中、点６は、ＴＤＩセンサーの同一列ｊに沿った一連のピクセルに向けて結像される。式（１）により、像面にてＬ個のピクセルに一致する周期長δを有する正弦関数照明の場合、ＴＤＩセンサー４で測定される画像１の点６の光像強度Ｉ（ｉ，ｊ）は、次式を満たす。

ここで、Ｂ_０及びＢ_１は、時間とは無関係の定数であり、θ_Ｉは、像面における位相であり、ｉ＝１，２，３．．．は、点６が結像されるピクセルのラインインデックスである。インデックスｉは、点６が速度Ｖで移動する時に変化する。ピクセル（ｉ，ｊ）は、画像の強度と光に対するピクセルの電気的感度に応じて電荷を生成する。ＴＤＩの活性ピクセルと非活性ピクセルから周期Ｌにより周期パターンが形成されるのに従い、像強度に応じて生成される電荷に関するＴＤＩピクセルの感度ｑ（ｉ，ｊ）は、一連のハーモニクスで記述できる。

ここで、Ｃ_０，Ｃ_１，．．．は、定数であり、θ_ｊは、列ｊに沿ったＴＤＩパターンの位相である。

点６の結像によりＴＤＩセンサーから出力される総電荷を評価するには、式（４）の強度に式（５）の感度を乗算し、ｉ＝１，２，３．．．からｉ_Ｍａｘにかけて総計しなければならない。列ｊにおいて結果として生じる電荷は、次式を満たすＱ（ｊ）である。

総計後の結果のＱ（ｊ）は、次のとおりに記述できる。

式（７）のＤ_０は、式（４）における点６の光学像の一様成分Ｂ_０から生じる電荷である。Ｄ_０は、図１の光学システム３の変調伝達関数（ＭＴＦ）によって画像として物体に関係付けられる。Ｄ_１は、式（４）における点６の光学像の正弦波成分Ｂ_１から生じる電荷である。Ｄ_１は、Ｄ_０と同様に変調伝達関数により画像として物体に関係付けられ、スライシング・クオリティーを持つ。これは、限られた焦点深度内の情報のみが画像に寄与することを意味する。位相Ψは、センサーのパターンの位相に対して相対的に測定される光学像の位相である。サンプリングの後に、電荷は、数値に変換される。Ｄ_０、Ｄ_１、及びΨを概算するために必要な数値解析は、プロセッサー５の１つの役割である。ここでは、式（７）の光学像は、Ｎ個の隣接列内でほぼ一定と仮定する。この仮定は、Ｎピクセル内で物体が平坦である場合、あるいは光学的な点広がりの大きさがＮピクセルと同じ大きさである場合に有効である。この仮定により、Ｎ個の隣接列のＴＤＩ出力は、次のとおりになる。

ここで、Ｎ、ξは、式（２）及び（３）で定義される。

式（８）及び（９）から、Ｎ個のデータ点Ｑ（ｊ），Ｑ（ｊ＋１），．．．Ｑ（ｊ＋Ｎ−１）のフーリエ解析により、Ｄ_０、Ｄ_１、及びΨの概算を抽出する。
例えば、Ｎ＝３、ξ＝２π／３となる図２のパターン化ピクセル配列について検討する。Ｎ個の隣接列Ｑ（ｊ−１）、Ｑ（ｊ）、及びＱ（ｊ＋１）のセットは、Ｄ_１の概算を基礎とする。

さらに同じセットＱ（ｊ−１）、Ｑ（ｊ）、及びＱ（ｊ＋１）によるΨの概算は以下のとおり。

米国特許第０５８６７６０４号により定義される照明による位相内の合成像Ｓ_１と照明による９０度位相外の合成像Ｓ_２は、次のとおりに概算される。

ここで、Ψ_ｍは、基準位相であり、これは、ミラー標的上での測定により較正できる。ミラー標的の場合は、位相シフトが発生せず、画像の位相は、照明の位相と同じである。
限られた数の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明においては、数多くの変更、変形、及び他の応用が可能であることは、理解されよう。したがって、添付の請求項に記載の本明細書で請求する発明は、上記で説明した実施形態には限定されない。

１ 周期照明パターン（周期パターン、照明、画像）、２ 物体、３ 光学式結像システム（光学システム）、４ パターン化感度ＴＤＩセンサー（ＴＤＩセンサー）、５ プロセッサー、６ 点、７ ビームスプリッター、２１ ピクセル配列、２３ ピクセル配列の小領域、３１ 対物レンズ、３２、３３ チューブレンズ。

Claims (13)

1. ピクセル配列を備える物体結像用ＴＤＩセンサーであって、前記ピクセルのそれぞれの光感度は、前記配列にわたって周期パターンに従って変化することを特徴とするＴＤＩセンサー。
2. 前記ピクセルは、複数の列に配置され、隣接する前記列間に前記周期パターンの位相シフトが導入されることを特徴とする請求項１に記載の前記ＴＤＩセンサー。
3. 前記パターンは、各列に沿って６つの前記ピクセルの周期長を有することを特徴とする請求項２に記載の前記ＴＤＩセンサー。
4. 前記パターンの前記位相は、隣接する前記列間で２つの前記ピクセルずつシフトすることを特徴とする請求項２に記載の前記ＴＤＩセンサー。
5. 前記パターンは、各列に沿って４つの前記ピクセルの周期長を有することを特徴とする請求項２に記載の前記ＴＤＩセンサー。
6. 前記パターンの前記位相は、隣接する前記列間で１つの前記ピクセルずつシフトすることを特徴とする請求項２に記載の前記ＴＤＩセンサー。
7. 物体を検査する方法であって、
   （ａ）前記物体にわたって周期的に変化する照明によって前記物体を走査するステップと、
   （ｂ）周期的に変化する光感度を有する複数のピクセルを含み、前記光感度の反復長は、前記照明の反復長に一致するパターン化感度ＴＤＩセンサーによって前記物体を結像するステップと、
   （ｃ）前記物体についての情報を抽出するため前記ＴＤＩセンサーの出力信号を解析するステップと、を含むことを特徴とする方法。
8. 前記情報は、前記物体の高さを含むことを特徴とする請求項６に記載の前記方法。
9. 前記情報は、前記物体の画像を含むことを特徴とする請求項６に記載の前記方法。
10. 前記画像は、前記物体の焦点内情報のみ含むことを特徴とする請求項８に記載の前記方法。
11. 前記画像は、前記周期パターン照明による位相内情報を含むことを特徴とする請求項８に記載の前記方法。
12. 前記画像は、前記周期パターン照明による９０度位相外情報を含むことを特徴とする請求項８に記載の前記方法。
13. 請求項１の前記ＴＤＩセンサーと周期パターン照明によって物体を照明する照明器とを備える結像装置であって、前記周期パターン照明は、前記ＴＤＩピクセルの前記周期パターンに一致することを特徴とする結像装置。

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