CN101970983B - 形状测定装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种形状测定装置以及方法，使从光源(90)射出的光成为平行光，将该平行光分支为两束，分支后的光中的一束通过圆锥透镜(104)，变为在规定距离上在光轴上的能量密度达到极大的光(光束)，并使其照射于被测定物(105)的表面，分支后的光中的另一束照射于参照镜(107)，通过对照射于被测定物的表面的光(光束)的后方散射光与来自参照镜的反射光的干涉光进行检测，测定被测定物的形状。

Description

形状测定装置以及方法

技术领域

本发明涉及一种能够对工业产品等测定对象物进行焦点深度为比以往高数十倍或数百倍的大深度且例如亚微米以下的高分辨率的测定的形状测定装置以及方法。 

背景技术

以往，作为通过检测干涉光而测定形状的方法，有利用迈克耳逊干涉的装置。在该装置中，使来自光源的光成为平行光，由光束分裂器将该平行光分支为两束，分支后的一束光经由物镜照射于被测定物，分支后的另一束光照射于具有移动机构的参照镜，来自被测定物的后方散射光以及来自参照镜的反射光经由成像透镜，在放置于焦点面的光检测器成像。来自被测定物的后方散射光以及来自参照镜的反射光由于来自同一光源而可干涉，因此，如果移动具有移动机构的参照镜使光路差发生相对变化，则能够从光检测器得到干涉信号，并能够根据该干涉信号进行被测定物的形状测定(例如，参照专利文献1)。 

图6表示现有的结构。 

在图6中，201是射出光的发光元件，202是使从发光元件201射出的光成为平行光的准直透镜。另外，203是使来自准直透镜202的平行光分支为被测定物侧和参照镜侧的光束分裂器。304是使被光束分裂器203分支后的平行光中的一束照射于被测定物205的物镜。206、207是使被光束分裂器203分支后的平行光中的另一束聚光的透镜、以及参照用反射镜。208、209是使来自被测定物205的反射光或散射光和来自参照用反射镜207的这两束光的干涉光聚光的透镜、以及作为检测元件的检测器。 

以往，在迈克耳逊干涉中，在物镜304中使用球面或非球面的一枚或多枚透镜。如图7所示，物镜304的光具有焦点深度λ/NA²以及光径1.22×λ/NA，所述焦点深度以及光径在光学上由物镜304的数值口径NA和从发光元件射出的光的波长λ决定。因此，光径随着远离物镜304的焦点位置而变大，测定装置的分辨率降低。例如当使用光(光束)波长λ＝633nm的HeNe激光作为光源，使用数值口径NA＝0.1的物镜304时，焦点深度为63μm，光(光束)径为7.7μm。

专利文献1：日本特开平6-341809号公报 

但是，在以往利用迈克耳逊干涉的装置中，在物镜304中使用球面或非球面的一枚或多枚透镜，物镜304的数值口径NA决定了测定的深度和测定的分辨率。具体来说，为了增大测定的深度，有必要减小物镜304的数值口径NA，但是数值口径NA减小则会使测定的分辨率变差。相反，为了提高测定的分辨率，有必要增大物镜304的数值口径NA，但是数值口径NA增大则会使测定的深度变浅。这样，当在物镜304中使用球面或非球面的一枚或多枚透镜时，在利用迈克耳逊干涉的装置中，测定的大深度与测定的高分辨率处于相反的关系，不能使双方同时成立。 

发明内容

因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能够使测定的大深度和测定的高分辨率双方同时成立的形状测定装置以及方法。 

为了实现上述目的，本发明如下构成。 

根据本发明的第一方式，形状测定装置的特征在于，包括： 

光源，其射出平行光； 

光束分裂器，其使所述光源射出的平行光分支为两束光； 

圆锥透镜，其使被所述光束分裂器分支后的所述两束光中的一束光透过，将该透过的光变为在满足下述数式的距离ρ上光轴上的能量密度达到极大的光，使其照射于被测定物的表面，并且，使来自所述被测定物的所述表面的反射光或后方散射光透过，所述数式为 

ρ＜D/{2tan(β/2)} 

其中，β/2＝sin-1{nsin(π/2-α/2)}-π/2+α/2 

D：所述圆锥透镜的有效直径 

α：所述圆锥透镜的圆锥形状的顶角 

ρ：从所述圆锥透镜的顶点到所述被测定物为止的沿着所述光的光轴的距离

n：所述圆锥透镜的折射率； 

参照镜，其反射被所述光束分裂器分支后的所述两束光中的另一束光； 

检测器，其对照射于所述被测定物的所述表面且透过所述圆锥透镜的所述反射光或后方散射光与来自所述参照镜的反射光的干涉光进行检测；以及 

形状测定部，其基于所述检测器检测出的所述干涉光，测定所述被测定物的所述表面的形状。 

根据本发明的第二方式，提供一种如第一方式中所述的形状测定装置，其中，还具备光学滤波器，其配置于所述光束分裂器和所述圆锥透镜之间，遮蔽与所述圆锥透镜的顶部相对应的区域。 

根据本发明的第三方式，提供一种如第一方式中所述的形状测定装置，其中，还具备多个调光板，其配置于所述光束分裂器和所述圆锥透镜之间，具有遮蔽部和配置于所述遮蔽部外周的环状透过部，所述多个调光板的所述遮蔽部遮蔽与所述圆锥透镜的顶部相对应的区域，所述多个调光板的所述透过部的位置分别配置在互不相同的位置，所述形状测定部选择性使用所述多个调光板，通过对多个所述被测定物的表面分别选择性照射来自所述圆锥透镜的所述光而进行所述形状测定。 

根据本发明的第四方式，提供一种如第一～第三方式中的任一方式所述的形状测定装置，其中，还具备被测定物移动装置，该被测定物移动装置使所述被测定物沿与从所述圆锥透镜射入所述被测定物的所述光的光轴方向正交的方向移动，测定所述被测定物的所述表面的形状。 

根据本发明的第五方式，形状测定方法的特征在于，其中，使从光源射出的平行光分支为两束光，利用圆锥透镜，使被分支后的所述两束光中的一束光变为在满足下述数式的距离ρ上光轴上的能量密度达到极大的光，并使其照射于被测定物的表面，所述数式为 

ρ＜D/{2tan(β/2)} 

其中，β/2＝sin-1{nsin(π/2-α/2)}-π/2+α/2 

D：所述圆锥透镜的有效直径 

α：所述圆锥透镜的圆锥形状的顶角 

ρ：从所述圆锥透镜的顶点到所述被测定物为止的沿着所述光的光轴的距离 

n：所述圆锥透镜的折射率， 

用参照镜反射被分支后的所述两束光中的另一束光，对在所述被测定物的所述表面反射且透过所述圆锥透镜的反射光或后方散射光与来自所述参照镜的反射光的干涉光进行检测，基于检测出的所述干涉光，测定所述被测定物的所述表面的形状。 

根据本发明的第六方式，提供一种如第五方式中所述的形状测定方法，其中，当被光束分裂器分支后的所述两束光中的所述一束光透过所述圆锥透镜时，透过了配置于所述光束分裂器与所述圆锥透镜之间的调光板的环状透过部的所述一束光被所述被测定物的第一表面反射而形成第一反射光，基于所述第一反射光来进行所述被测定物的第一表面的形状测定，其中，所述环状透过部配置于所述调光板的与所述圆锥透镜的顶部相对应的区域的外周，之后， 

当被所述光束分裂器分支后的所述两束光中的所述一束光透过所述圆锥透镜时，在所述光束分裂器与所述圆锥透镜之间配置在与所述调光板不同的位置具有透过部的另一个调光板，透过了所述另一个调光板的环状透过部的所述一束光被所述被测定物的第二表面反射而形成第二反射光，基于所述第二反射光来进行所述被测定物的不同于所述第一表面的所述第二表面的形状测定，其中，所述环状透过部配置于所述另一个调光板的与所述圆锥透镜的顶部相对应的区域的外周。 

根据本发明的第七方式，提供一种如第五或第六方式中所述的形状测定方法，其中，通过被测定物移动装置，使所述被测定物沿与从所述圆锥透镜射入所述被测定物的所述光的光轴方向正交的方向移动，测定所述被测定物的所述表面的形状。 

发明效果 

根据本发明，与以往相比，能够实现大深度(例如，具有比以往高数十倍或数百倍的焦点深度)且高分辨率(例如，具有亚微米以下的分辨率)测定的形状测定。 

附图说明

本发明的上述及其他目的和特征根据与针对附图的优选实施方式相关联的下述记载而明确。图中， 

图1是本发明第一实施方式的形状测定装置的基本结构图； 

图2是说明所述第一实施方式的所述形状测定装置的圆锥透镜动作的图； 

图3是在本发明第一实施方式的圆锥透镜的情况和以往的物镜的情况下，将距离ρ以及光能密度I进行比较的图表； 

图4A是说明本发明第二实施方式的形状测定装置的光学滤波器动作的截面图； 

图4B是本发明第二实施方式的形状测定装置的光学滤波器的俯视图； 

图5A是示出所述第一实施方式的形状测定装置的一个具体结构例的图； 

图5B是使用所述第一实施方式的形状测定装置，检查多个透镜的表背面形状时的说明图； 

图5C是示出本发明第三实施方式的形状测定装置的一部分结构的说明图； 

图5D是示出所述第三实施方式的形状测定装置的一部分结构的说明图； 

图5E是示出所述第三实施方式的形状测定装置的一部分结构的说明图； 

图5F是示出所述第三实施方式的形状测定装置的一部分结构的说明图； 

图5G是示出所述第三实施方式的形状测定装置的一部分结构的说明图； 

图5H是示出使用所述第三实施方式的形状测定装置进行形状测定动作时的顺序的流程图； 

图5I是使用所述第三实施方式的形状测定装置进行形状测定动作时 的待测透镜的说明图； 

图6是以往的形状测定装置的结构图； 

图7是说明以往的形状测定装置的问题点的图。 

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。 

(第一实施方式) 

图1示出了本发明第一实施方式的形状测定装置83的基本结构。 

在图1中，101是射出光的发光元件，102是使从发光元件101射出的光成为平行光120的准直透镜，发光元件101和准直透镜102构成平行光光源90。另外，103是用于将来自准直透镜102的平行光120分支为被测定物侧和参照镜侧这两束的光束分裂器。104是圆锥透镜，其与被测定物105相对的射出侧(被测定物105侧)呈圆锥形状，用于使被光束分裂器103分支在被测定物侧的一束平行光、即第一平行光121A照射于被测定物105。即，此处所说的圆锥透镜104是指至少射出侧的形状呈圆锥形状的透镜。圆锥透镜104的与第一平行光121A相对的入射侧(光束分裂器103侧)，可以是平面或弯曲面。 

106是使被光束分裂器103分支后的另一束平行光、即第二平行光121B聚光的透镜，107是反射该第二平行光121B的参照用反射镜。在作为参照平面驱动部的一例的反射镜移动装置91的作用下，参照用反射镜107在第二平行光121B的光轴方向上能够进退移动。为了调整受光部109接受的光的干涉情况，通过该反射镜移动装置91，能够将作为参照平面发挥功能的参照用反射镜107在图1的上下方向上驱动。108是使来自工业产品等被测定物105的反射光或散射光123、和来自参照用反射镜107的反射光124这两束光123、124的干涉光聚光的透镜。109是作为检测聚光后的干涉光的元件的检测器(例如，光检测器)。 

由除去被测定物105的上述结构要素构成形状检查装置82。另外，从形状检查装置82除去了可动载物台的部分是形状检查部81。该形状检查部81通过相对于被测定物105进行相对移动，能够检查被测定物105的待测定面。 

进一步，将基于检测器109检测出的干涉光而测定被测定物105的表面形状的形状测定部80与检测器109连接配置，整体构成形状测定装置83。形状测定部80可以由能够基于检测器109检测出的干涉光而测定被测定物105的表面形状的公知软件等构成。如图5A所示，作为形状测定部80的一例，由分光器80A、A/D转换器80B以及小型电脑(personalcomputer)80C构成，将检测器109检测出的干涉光在分光器80A处分光，只取出必要的光。可以将从分光器80A取出的光所包含的模拟信息在A/D转换器80B转换为数字信息后，通过内置于小型电脑80C中的公知软件等得到形状信息。 

发光元件101、准直透镜102、光束分裂器103、圆锥透镜104以及被测定物105配置于同一光轴上。透镜106和参照用反射镜107相对于透镜108和检测器109，沿着与发光元件101的光轴正交的方向且夹着光束分裂器103配置于同轴上。 

作为发光元件101的例子，有HeNe激光器或半导体激光器等。被测定物105通过可动载物台92向XY方向各自移动，其中，可动载物台92作为被测定物移动装置的一例，由保持被测定物105的X轴载物台92x和支承X轴载物台92x并能够使其移动的Y轴载物台92y构成。X轴载物台92x是在X轴方向(图1中的贯通纸面的方向)驱动被测定物105的机构。Y轴载物台92y是在与X轴方向正交的Y轴方向(图1中的上下方向)驱动被测定物105的机构。该第一实施方式的形状测定装置83的形状检查装置82使用X轴载物台92x和Y轴载物台92y，使载置于X轴载物台92x上的载置部(未图示)的被测定物105相对于形状检查部81进行相对移动，由此能够检查被测定物105的待测定面的整个面。 

需要说明的是，在图1A中，为了便于理解，相互错开少许位置来示出沿光轴前进的光的去路和回路。 

以下，对如前述构成的第一实施方式的形状测定装置的动作以及圆锥透镜104的构造进行更加详细的说明。 

从发光元件101射出的光通过准直透镜102成为平行光120。 

该平行光120被光束分裂器103分支为两束平行光121A、121B。来自光束分裂器103的第一平行光121A如图2所示，射入具有顶角α[°] 的圆锥形状且折射率为n的圆锥透镜104的平坦的底面104b。 

射入圆锥透镜104的第一平行光121A如图2所示，以下式(2)所示的与光轴所成的角度(β/2)[°]而折射。 

β/2＝sin-1{nsin(π/2-α/2)}-π/2+α/2 

                                            ....(2) 

设从准直透镜102射出并经由光束分裂器103而射入圆锥透镜104的第一平行光121A的光能密度为i，从圆锥透镜104的顶点104a到任意点(例如，被测定物)89为止的沿着第一平行光121A的光轴的距离为ρ[mm](0＜ρ)，第一平行光121A的光轴与圆锥透镜104的光轴的距离为r[mm](0≤r≤(D/2))，则顶点104a到任意点(例如，被测定物)89为止的距离为ρ、第一平行光121A的光轴与圆锥透镜104的光轴的距离为r的点89处的光能密度I(ρ，r)，满足下述式(3)。 

$I(\mathrm{\ρ},r)=2i\×\frac{{\tan }^2(\mathrm{\α}/2)\tan \left(\mathrm{\β}\right)}{{\{\tan (\mathrm{\α}/2)-\tan \left(\mathrm{\β}\right)\}}^2}\×\frac{\mathrm{\ρ}}{r}...\left(3\right)$

如式(3)，光束轮廓(beam profile)成为1/r的曲线，光能密度I在光轴上达到极大。如果设圆锥透镜104的有效直径为D[mm]，则具有这样的高光能密度I的距离为ρ的点89表示为式(4)。 

ρ＜D/{2tan(β/2)} 

                                             ....(4) 

另外，如果设在具有高光能密度I的距离为ρ的点89处的光(光束)斑(spot)直径为 

则其表示为式(5)。λ[nm]是光源射出的光(光束)的波长。 

φ＝(2×2.4048λ)/(2πsinβ) 

                                             ....(5) 

圆锥透镜104以使上述式成立的形状构成。 

透过这样的圆锥透镜104的光(光束)122照射于被测定物105的表面。光(光束)122照射于被测定物105的表面后，来自被测定物105的表面的反射光或被测定物105的表面的后方散射光123透过圆锥透镜104进入光束分裂器103。另一方面，从准直透镜102射出经由光束分裂器103、并进一步经由聚光透镜106射入参照用反射镜107的第二平行光121B被参照用反射镜107反射。参照用反射镜107反射的反射光124经由聚光透镜106进入光束分裂器103。被测定物105表面的反射光或后方散射光123与来自参照镜107的反射光124再次在光束分裂器103结合而成为干涉光，干涉光经由聚光透镜108射入检测器109，由检测器109检测干涉光。 

以下说明，作为圆锥透镜104的一例使用材质BK7(折射率n＝1.515)，圆锥透镜104的顶角α＝120°，有效直径D＝10mm，作为光源的一例在发光元件101中使用λ＝633nm的HeNe激光的情况。 

图3示出将圆锥透镜104处的距离ρ和光(光束)的强度I以强度最大值正态化了的图表(参照箭头I)。横轴为距离ρ，纵轴为光(光束)的强度I。为了与该图表比较，在图3中也记载了如以往在作为光源例的发光元件中使用λ＝633nm的HeNe激光、并使用数值口径NA＝0.1的物镜代替圆锥透镜104时，将距离ρ和光(光束)的强度I以强度最大值正态化了的图表(参照箭头II)。 

如图3所示，在使用圆锥透镜104的情况下(参照箭头I)，具有高光能密度I的距离ρ的点直到11.4mm。另外，测定具有该高光能密度I的距离ρ的点处的光(光束)斑直径 

为1.5μm。相对于此，如前所述，在以往使用数值口径NA＝0.1的物镜的情况下(参照箭头II)，其焦点深度只有63μm(参照图3)，且光(光束)径也很大，为7.7μm。由此，通过使用圆锥透镜104，与以往的结构相比，能够得到深了11.4/0.063＝约180倍的焦点深度以及1.5/7.7＝约1/5细的光(光束)径。 

由此，在这样深的焦点深度内，能以更细微的水平分辨率，由检测器109对来自被测定物105的反射光或后方散射光与来自参照镜107的反射光的干涉光的强度进行检测，并在形状测定部80测定形状。从而，在本实施方式的形状测定装置83中，由于焦点深度深，因此，只需沿被测定物105的表面在XY方向上移动，就能够大体上进行被测定物105的厚度方向(与XY方向正交的方向，即深度方向)上的形状测定，几乎不在深度方向上移动被测定物105就能够进行形状测定。因此，可以根据需要在 深度方向上移动。换言之，只要被测定物105表面的凸凹尺寸在焦点深度内，就不需要被测定物105的厚度方向上的扫描，仅通过XY方向的移动(扫描)就能够进行形状测定，可以有效防止测定误差的发生。相对于此，以往的结构中由于形状测定的焦点深度浅，只沿被测定物的表面在XY方向上移动不能进行深度方向的全部形状测定，在深度方向上也需要一点一点移动，不仅麻烦，也容易发生测定误差。 

另外，发光元件101、可动载物台92、反射镜移动装置91、检测器109以及形状测定部80分别连接于控制装置60，这些装置的动作分别被控制装置60控制以进行形状测定动作。 

在形状的测定中，可以使参照镜107固定，一面使被测定物105通过可动载物台92沿X方向或Y方向或XY方向移动，一面由检测器109检测反射光或散射光的干涉光。也可以与之相反，使被测定物105固定，一面使参照镜107通过反射镜移动装置91移动，一面由检测器109检测反射光或散射光的干涉光。 

通过使用所述光(照射光束)进行被测定物105的形状测定，能够实现可进行大深度且高分辨率的测定的形状测定装置83。 

(第二实施方式) 

图4A以及图4B示出了本发明第二实施方式的形状测定装置的一部分结构。 

第二实施方式在第一实施方式的基础上，在圆锥透镜104的前面(发光元件101侧)配置了光学滤波器601。作为光学滤波器601，例如可以形成有同心圆状的光透过部601b(图4A以及图4B的空白部分)、以及配置于光透过部601b以外的区域且遮避光的掩模部(遮避部)601a(图4A以及图4B的黑色部分)。在圆锥透镜104的顶点104a附近的顶部，圆锥透镜104的加工误差使该顶部附近的形状精度不够高，从而在该顶部附近产生散乱的光(光束)，通过上述掩模部601a能够遮避上述散乱的光(光束)而将其消除。用于除去加工误差的掩模部601a的最低范围，是直径1μm的范围。外周的掩模部601c为任意，也可以没有。 

作为设有这样的掩模部601a的具体例子，在有效直径D为10mm的圆锥透镜104中，顶部附近的直径10μm左右的范围内，由于加工原因， 有时形状变钝而不会成为锐角。因此，在顶部周围遮蔽直径2mm以上的区域而形成掩模部601a，通过掩模部601a进行遮光，可以消除由加工误差引起的散乱的光(光束)的区域。 

该第二实施方式中的形状测定的顺序与上述第一实施方式相同。 

需要说明的是，在本实施方式中，来自被测定物105的反射光或后方散射光，以与射入时同轴且逆向的光路通过光学滤波器601，被检测器109检测。 

另外，在被测定物105的待测定面的形状测定中，可以使参照镜107固定，一面使被测定物105通过可动载物台92沿X方向或Y方向或XY方向移动，一面由检测器109检测反射光或散射光的干涉光。也可以与之相反，使被测定物105固定，一面使参照镜107通过反射镜移动装置91移动，一面由检测器109检测反射光或散射光的干涉光。 

(第三实施方式) 

图5A示出了上述第一实施方式的形状测定装置的一个具体结构例。图5B是使用上述第一实施方式的形状测定装置来检查多个透镜的表背面形状时的说明图。在图5A和图5B中，为了便于理解，相互错开少许位置来示出在光轴中心前进的光的去路和回路。图5C～图5G分别示出了本发明第三实施方式的形状测定装置的一部分结构。图5H是示出了使用上述第一实施方式的形状测定装置进行形状测定动作时的顺序的流程图。 

作为测定对象物(待测透镜)即被测定物105的具体例子，如图5A所示，以同轴具备多个待测透镜105A、105B的物品作为测定对象物(待测透镜)，如数字静态照相机(DSC)的镜筒等。只是，为了简化图示，在图5中省略了透镜镜筒自身，仅图示了多个待测透镜105A、105B。 

如图5B所示，当检查作为这样的测定对象物的多个待测透镜105A、105B的表背面(第一待测透镜105A的表面105Aa和背面105Ab，以及第二待测透镜105B的表面105Ba和背面105Bb)形状时，为了在作为透镜镜筒组合的状态下检查各个待测透镜105A、105B的表背面(第一待测透镜105A的表面105Aa和背面105Ab，以及第二待测透镜105B的表面105Ba和背面105Bb)，需要使发光元件101以及圆锥透镜104相对于待测透镜105A、105B进行相对移动。 

但是，考虑到测定精度以及测定速度(节奏时间)，优选发光元件101以及圆锥透镜104相对于待测透镜105A、105B不移动。 

因此，在本发明第三实施方式的形状测定装置中，准备直径不同的多个环状调光板70、71、72、73，如图5C～图5G所示切换多个调光板70、71、72、73，如图5B所示进行调整，以在被测定物105的各表背面对焦。 

即，首先，如图5C以及图5D所示，在第一调光板70中，将同心圆状的光透过部70b形成于与圆锥透镜104顶部的周围附近相对应的区域，在其余部分(顶部以及透过部70b的外周部)形成掩模部(遮避部)70a。通过这样构成，透过透过部70b的光在圆锥透镜104的作用下而在第一待测透镜105A的表面105Aa形成焦点，在表面105Aa反射后再次透过透过部70b而转向光束分裂器103，由此能够检测表面105Aa的形状。另外，在该例中，透过部70b的面积与中央侧的掩模部70a的面积大致相同。 

另外，如图5E所示，在第二调光板71中，将同心圆状的光透过部71b形成于透过部70b位置的外周部侧、即与圆锥透镜104的顶部和外周部之间的中间部相对应的区域，在其余部分(透过部71b的光轴中心侧的部分以及透过部71b的外周部)形成掩模部71a。通过这样构成，透过透过部71b的光在圆锥透镜104的作用下透过第一待测透镜105A，在第一待测透镜105A的背面105Ab形成焦点，在背面105Ab反射后再次透过第一待测透镜105A以及透过部71b而转向光束分裂器103，由此能够检测背面105Ab的形状。 

另外，如图5F所示，在第三调光板72中，将同心圆状的光透过部72b形成于透过部71b位置的外周部侧位置，在其余部分(透过部72b的光轴中心侧的部分以及透过部72b的外周部)形成掩模部72a。通过这样构成，透过透过部72b的光在圆锥透镜104的作用下透过第一待测透镜105A，在第二待测透镜105B的表面105Ba形成焦点，在表面105Ba反射后再次透过第一待测透镜105A以及透过部72b而转向光束分裂器103，由此能够检测表面105Ba的形状。 

另外，如图5G所示，在第四调光板73中，将同心圆状的光透过部73b形成于透过部72b位置的外周部侧位置，在其余部分(透过部73b的光轴中心侧的部分以及透过部73b的外周部)形成掩模部73a。通过这样 构成，透过透过部73b的光在圆锥透镜104的作用下透过第一待测透镜105A，在第二待测透镜105B的背面105Bb形成焦点，在背面105Bb反射后再次透过第一待测透镜105A以及透过部73b而转向光束分裂器103，由此能够检测背面105Bb的形状。 

这样，通过适当切换并调整第一～第四调光板70、71、72、73，能够在不移动圆锥透镜104等光学系统的情况下，在待测透镜105A、105B的各表背面对焦。通过如上述使用多个调光板，在对第一枚待测透镜、即第一待测透镜105A的表面105Aa和背面105Ab进行形状测定时，能够除去焦点深度与第二枚以后的待测透镜即第二待测透镜105B的表面105Ba和背面105Bb相符合的光，不发生对于第二枚以后的待测透镜的干涉，从而能够高精度的进行第一枚待测透镜的形状测定。 

需要说明的是，也可以通过配置之前的光学滤波器601，省略第一～第四调光板70、71、72、73各自的顶部附近区域的遮蔽部，使顶部附近的区域完全成为透过部。 

该第一～第四调光板70、71、72、73的切换装置61，例如，能够将第一～第四调光板70、71、72、73固定于圆板部件，通过电动机等旋转驱动装置使圆板部件旋转规定角度，使第一～第四调光板70、71、72、73中所期望的调光板位置于光轴上，控制其成为图5C～图5G的任一状态。这样的调光板切换动作的控制，能够通过控制形状测定装置整体动作的控制装置60进行。控制装置60分别控制发光元件101、可动载物台92、反射镜移动装置91、检测器109、形状测定部80以及切换装置61的动作。 

关于这样的形状测定装置83的形状测定动作，基于图5H进行说明。该形状测定动作在控制装置60的动作控制下进行。 

测定开始后，首先，在步骤S1，从发光元件101透过准直透镜102、光束分裂器103、圆锥透镜104，向被测定物105的表面进行激光照射。 

接着，在步骤S2，在被测定物105的表面反射的反射光或在表面的后方散射的后方散射光透过圆锥透镜104，与来自参照镜107的反射光在光束分裂器103结合成为干涉光，干涉光经由聚光透镜108，被检测器109检测。即，检测器109检测被测定物105的表面与参照用反射镜107的各波长的干涉强度。 

接着，在步骤S3，将经由检测器109被形状测定部80的分光器80A检测出的干涉强度通过A/D转换器80B转换为数字信息后，读入小型电脑80C，将该数字信息傅立叶变换。 

接着，在步骤S4，根据在步骤S3将数字信息傅立叶变换求出的数字信息得到高度信息，由此完成被测定物105的表面的形状测定。 

驱动切换装置61，对第一～第四调光板70、71、72、73分别进行上述步骤S1～步骤S4，由此能够检查多个透镜105A、105B的表背面(第一待测透镜105A的表面105Aa和背面105Ab，以及第二待测透镜105B的表面105Ba和背面105Bb)的形状。 

另外，通常，当在各被测定物105的表面对焦时，在测定对象物(待测透镜)的被测定物105为球面或非球面的任一情况下，为了使焦点绘出被测定物105的表面形状，有必要移动圆锥透镜104等光学系统。 

但是，本发明通过利用上述结构(特别是通过使用圆锥透镜104)，能够进行在光轴深度方向上具有裕度(margin)的检查(换言之，使用圆锥透镜104利用深焦点深度M(参照图5I)进行检查)。 

因此，在被测定物105的表面形状的设计值等数据已知的情况下，在光轴深度方向上，如图5I所示，当通过在被测定物105表面的中央附近对准焦点122a来检查被测定物105的表面时，完全不移动圆锥透镜104等就能够进行检查。这是由于，通过以分光器80A检测及傅立叶变换而完全不移动圆锥透镜104等来进行检查，在光学上等效于移动圆锥透镜104或参照镜107来进行检查。 

根据上述第一～第三实施方式，从平行光光源90射出的平行光120被光束分裂器103分支为两束平行光121A、121B，分支后的光中的一束平行光121A通过圆锥透镜104，在满足所述数式(4)以及(2)的距离ρ上，变为在光轴上的能量密度I极大的光(光束)122并照射于被测定物105的表面，分支后的光中的另一束平行光121B照射于参照镜107，照射于所述被测定物105表面的光(光束)122的反射光或后方散射光123与来自参照镜107的反射光124的干涉光被检测器109检测出。形状测定部80基于检测器109检测出的干涉光，测定被测定物105的表面形状。由于是上述结构，因此与以往相比，能够实现大深度(例如，具有比以往高数 十倍或数百倍的焦点深度)且高分辨率(例如，具有亚微米以下的分辨率)的形状测定。 

即，在以往利用在物镜中使用球面或非球面的一枚或多枚透镜的迈克耳逊干涉的形状测定装置中，物镜的数值口径NA决定了测定的深度和测定的分辨率，测定的大深度和测定的高分辨率处于相反的关系，不能使双方同时成立。但是，根据上述第一～第三实施方式，通过使用满足上述式(4)以及(2)的结构的圆锥透镜104，与以往相比，能够实现大深度(例如，具有比以往高数十倍或数百倍的焦点深度)且高分辨率(例如，具有亚微米以下的分辨率)的形状测定。 

另外，通过适当组合上述各种实施方式中的任意实施方式，可以发挥其分别具有的效果。 

工业实用性 

本发明的形状测定装置以及方法，能够对被测定物的形状进行大深度且高分辨率的测定，在测定工业产品(例如透镜)等被测定物(测定对象物)的表面或背面的形状方面是有用的。 

本发明参照附图对优选实施方式进行了充分记载，但熟悉该技术的人知晓其各种变形或修改。这种变形或修改只要不超出由所附的权利要求限定的本发明范围，则应该被理解为包含在其中。 

Claims (4)

1.一种形状测定装置，包括：

光源，其射出平行光；

光束分裂器，其使所述光源射出的平行光分支为两束光；

圆锥透镜，其使被所述光束分裂器分支后的所述两束光中的一束光透过，将该透过的光变为在满足下述数式的距离ρ上光轴上的能量密度达到极大的光，使其照射于被测定物的表面，并且，使来自所述被测定物的所述表面的反射光或后方散射光透过，所述数式为

ρ＜D/{2tan(β/2)}

其中，β/2＝sin^-1{nsin(π/2-α/2)}-π/2+α/2

D：所述圆锥透镜的有效直径

α：所述圆锥透镜的圆锥形状的顶角

ρ：从所述圆锥透镜的顶点到所述被测定物为止的沿着所述光的光轴的距离

n：所述圆锥透镜的折射率；

参照镜，其反射被所述光束分裂器分支后的所述两束光中的另一束光；

检测器，其对照射于所述被测定物的所述表面且透过所述圆锥透镜的所述反射光或后方散射光与来自所述参照镜的反射光的干涉光进行检测；

形状测定部，其基于所述检测器检测出的所述干涉光，测定所述被测定物的所述表面的形状；以及

多个调光板，其配置于所述光束分裂器和所述圆锥透镜之间，具有遮蔽部和配置于所述遮蔽部外周的环状透过部，

所述多个调光板的所述遮蔽部遮蔽与所述圆锥透镜的顶部相对应的区域，

所述多个调光板的所述透过部的位置分别配置在互不相同的位置，

所述形状测定部选择性使用所述多个调光板，通过对多个所述被测定物的表面分别选择性照射来自所述圆锥透镜的所述光而进行所述形状测定。

2.如权利要求1所述的形状测定装置，其中，

还具备被测定物移动装置，该被测定物移动装置使所述被测定物沿与从所述圆锥透镜射入所述被测定物的所述光的光轴方向正交的方向移动，测定所述被测定物的所述表面的形状。

3.一种形状测定方法，其中，

使从光源射出的平行光分支为两束光，

利用圆锥透镜，使被分支后的所述两束光中的一束光变为在满足下述数式的距离ρ上光轴上的能量密度达到极大的光，并使其照射于被测定物的表面，所述数式为

ρ＜D/{2tan(β/2)}

其中，β/2＝sin^-1{nsin(π/2-α/2)}-π/2+α/2

D：所述圆锥透镜的有效直径

α：所述圆锥透镜的圆锥形状的顶角

ρ：从所述圆锥透镜的顶点到所述被测定物为止的沿着所述光的光轴的距离

n：所述圆锥透镜的折射率，

用参照镜反射被分支后的所述两束光中的另一束光，

对在所述被测定物的所述表面反射且透过所述圆锥透镜的反射光或后方散射光与来自所述参照镜的反射光的干涉光进行检测，

基于检测出的所述干涉光，测定所述被测定物的所述表面的形状，

当被光束分裂器分支后的所述两束光中的所述一束光透过所述圆锥透镜时，透过了配置于所述光束分裂器与所述圆锥透镜之间的调光板的环状透过部的所述一束光被所述被测定物的第一表面反射而形成第一反射光，基于所述第一反射光来进行所述被测定物的第一表面的形状测定，其中，所述环状透过部配置于所述调光板的与所述圆锥透镜的顶部相对应的区域的外周，之后，

当被所述光束分裂器分支后的所述两束光中的所述一束光透过所述圆锥透镜时，在所述光束分裂器与所述圆锥透镜之间配置在与所述调光板不同的位置具有透过部的另一个调光板，透过了所述另一个调光板的环状透过部的所述一束光被所述被测定物的第二表面反射而形成第二反射光，基于所述第二反射光来进行所述被测定物的不同于所述第一表面的所述第二表面的形状测定，其中，所述环状透过部配置于所述另一个调光板的与所述圆锥透镜的顶部相对应的区域的外周。

4.如权利要求3所述的形状测定方法，其中，通过被测定物移动装置，使所述被测定物沿与从所述圆锥透镜射入所述被测定物的所述光的光轴方向正交的方向移动，测定所述被测定物的所述表面的形状。

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