JP2001201325A

JP2001201325A - 三次元形状観察装置

Info

Publication number: JP2001201325A
Application number: JP2000008611A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kodama; 賢一児玉
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2001-07-27

Abstract

(57)【要約】【課題】焦点深度以上の凹凸を有する物体に対しても良
好な観察を行うことができる三次元形状観察装置を提供
する。【解決手段】三次元形状を有する被観察物体を観察する
三次元形状観察装置において、予め、二次元干渉計にて
被観察物体表面の凹凸を定量的に計測し、前記被観察物
体を対物レンズを通して撮像する撮像カメラと、前記撮
像カメラで撮像した画像を記憶するメモリとを有し、前
記被観察物体と前記対物レンズとの距離を前記対物レン
ズの焦点深度に応じた量だけ変化させて前記被観察物体
を複数回撮像し、撮像した複数の画像の中から、前記二
次元干渉計で計測した結果に基づいて、前記対物レンズ
の焦点深度内にある領域の画像を抽出し合成して前記被
観察物体全体の画像を形成する。本発明によれば、凹凸
のある被観察物体の全体に焦点の合った明瞭な画像を形
成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元形状観察装
置に関し、特に、凹凸のある微小な物体表面を良好に観
察することができる三次元形状観察装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、素材や生物等の微少物体の形
状観察には、微小物体の像を対物レンズにより拡大して
撮像カメラで撮像し、ビデオモニタ等で観察する光学顕
微鏡が広く用いられている。

【０００３】一方、微小物体の形状観察には、点状に集
光したレーザビームを被観察物体に照射し、被観察物体
で反射した光を、ピンホールを介してフォトディテクタ
で検出するレーザ顕微鏡も用いられる。レーザ顕微鏡
は、被観察物体の表面がレーザビームの焦点近傍に存在
しない場合、そこからの反射光がピンホールで遮られ、
フォトディテクタへは殆ど入射しない。この為、レーザ
ビームの焦点位置を光軸方向に少しずつずらしながら逐
次画像を形成し、それらの画像を合成することにより、
凹凸のある被観察物体の表面の観察が可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光学顕
微鏡では、対物レンズの開口数NAを大きくして像を拡大
すると、焦点深度が浅くなり、凹凸のある物体表面の各
部に対して焦点を合わせることが不可能になる。波動光
学理論によれば、焦点深度｜ΔZ ｜は、(1) 式で見積も
ることが出来る。

【０００５】｜ΔZ ｜≦（λ／ NA ） …… (1) ここで、λは観察光の波長である。

【０００６】(1) 式において、仮に、波長λ＝0.5 μ
ｍ、開口数NA＝0.9 とすると、焦点深度｜ΔZ ｜は僅か
0.56μｍ以下となる。つまり、光学顕微鏡において、分
解能を上げて観察する為には開口数NAを大きくする必要
があるが、開口数NAを大きくすると、凹凸の大きな物体
の観察が困難になる。

【０００７】一方、レーザ顕微鏡では、前述のように、
凹凸のある物体表面の観察が可能であるが、画像を形成
する為には、レーザビームを走査しなければならず、機
構的に複雑になる。また、単色性の強いレーザビームを
使用する為に、単色画像しか形成できない欠点がある。

【０００８】そこで、本発明の目的は、焦点深度以上の
凹凸を有する物体に対しても良好な観察を行うことがで
きる三次元形状観察装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の一つの側面は、対物レンズと被観察物体
との距離を変えながら被観察物体を複数回撮像し、被観
察物体の焦点深度内にある部分の画像を抽出し、抽出し
た画像を合成することを特徴とする。本発明によれば、
凹凸のある被観察物体の全体に焦点の合った明瞭な画像
を形成することができる。

【００１０】上記の目的を達成するために、本発明の別
の側面は、三次元形状を有する被観察物体を観察する三
次元形状観察装置において、前記被観察物体を対物レン
ズを通して撮像する撮像カメラと、前記撮像カメラで撮
像した画像を記憶するメモリと、前記被観察物体の凹凸
を計測する二次元の干渉計とを有し、前記被観察物体と
前記対物レンズとの距離を前記対物レンズの焦点深度に
応じた量だけ変化させて前記被観察物体を複数回撮像
し、撮像した複数の画像の中から、前記二次元の干渉計
の干渉縞から特定される前記対物レンズの焦点深度内に
ある領域の画像を抽出し合成して前記被観察物体全体の
画像を形成することを特徴とする。

【００１１】本発明によれば、被観察物体と対物レンズ
との距離を対物レンズの焦点深度に応じた量だけ変化さ
せて被観察物体を複数回撮像し、撮像した複数の画像の
中から対物レンズの焦点深度内にある領域の画像を抽出
し合成して被観察物体全体の画像を形成する。従って、
凹凸のある被観察物体の全体に焦点の合った明瞭な画像
を形成することができる。

【００１２】また、本発明によれば、撮像した複数の画
像の中から、前記二次元の干渉計の干渉縞から特定され
る前記対物レンズの焦点深度内にある領域の画像を抽出
することができ、凹凸のある被観察物体の全体に焦点の
合った明瞭な画像を形成することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形
態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

【００１４】まず、本発明の原理の概略を説明する。凹
凸を有する被観察物体を観察する場合、光学顕微鏡にお
いても、焦点深度内の部分の観察は可能である。そこ
で、凹凸を有する被観察物体の焦点深度内にある部分の
画像を抽出してメモリに記憶し、その動作を対物レンズ
と被観察物体との距離を徐々に変えながら逐次行い、抽
出した各画像を合成する。このようにすれば、被観察物
体の全体に焦点の合った明瞭な画像を形成することがで
きる。この場合、被観察物体の焦点深度内にある部分
は、例えば、二次元の干渉計により特定することができ
る。

【００１５】図1 は、本発明の実施の形態の三次元形状
観察装置の構成図である。本実施の形態の三次元形状観
察装置は、試料台17の上に載せた被観察物体3 を、照明
ランプ7 により、凸レンズ19、ダイクロイックミラー1
0、ハーフプリズム11、対物レンズ1 を介して照明す
る。被観察物体3 で反射された光は、対物レンズ1 、ハ
ーフプリズム11を介して接眼レンズ2 で集光され、ＣＣ
Ｄ（Charge Coupled Device ）カメラ4 により、画像信
号に変換される。

【００１６】この場合、ＣＣＤカメラ4 は、ピエゾ素子
18により対物レンズ1 と被観察物体3 との距離を変えて
被観察物体3 を複数回撮像し、撮像した画像の中から、
対物レンズ1 の焦点深度内の領域の画像を抽出して第１
のメモリ6 に記憶する。そして、第１のメモリ6 に記憶
された焦点深度内の領域の画像が合成され、被観察物体
3 全体に焦点の合った画像がビデオモニタ16に表示され
る。

【００１７】また、本実施の形態の三次元形状観察装置
は、被観察物体3 の形状を測定するために二次元の干渉
計を利用する。本実施の形態では、二次元の干渉計を構
成する要素として、僅かに波長の異なる第１の光源LT1
及び第２の光源LT2 と、凸レンズ20、21と、ハーフミラ
ー9 と、平面鏡12と、平面鏡12及び試料台17を駆動する
ピエゾ素子13、18とを有する。

【００１８】制御系5 は、被観察物体3 の形状を測定す
る場合、照明ランプ7 の光をシャッタ8 により遮断し、
第１と第２の光源LT1 、LT2 のどちらか片方ずつを点灯
して、被観察物体3 で反射する光と平面鏡12で反射する
光により干渉縞を生成する。演算部15は、二次元の干渉
計における種々の演算を行い、被観察物体3の表面上
で、対物レンズ1の焦点深度内にある領域を特定する。

【００１９】図２は、本実施の形態の二次元の干渉計で
被観察物体3 の形状を測定する場合の光路長の説明図で
ある。即ち、対物レンズ1 の焦点距離をLfとし、ハーフ
プリズム11の中心P0から被観察物体3 までの光路長をLp
とする。また、ハーフプリズム11の中心P0から平面鏡12
までの光路長をx とする。但し、図２では簡単の為に、
Lpとxを単なる距離として示したが、正確には、光路中
に含まれる硝子の屈折率を考慮した光学的な距離であ
る。

【００２０】この場合、ピエゾ素子18により試料台17を
上下し、被観察物体3 における焦点の合った領域を変化
させる。また、ピエゾ素子13により平面鏡12を移動し、
僅かに波長の異なる第１と第２の光源LT1 、LT2 の干渉
縞の位相が一致する領域を検出し、被観察物体3 の形状
を測定する。

【００２１】図３は、本実施の形態の三次元形状観察装
置で、焦点深度以上の凹凸を有する被観察物体3 を観察
する場合の説明図である。図３（１）に示すように、Ｃ
ＣＤカメラ4 の視野内に、対物レンズ1 の焦点深度｜Δ
Z ｜の２倍よりも大きな高さを有する被観察物体3 が置
かれている。この場合、被観察物体3 を良好に観察出来
る範囲は、対物レンズ1 の焦点位置の前後｜ΔZ ｜の範
囲である。従って、良好に観察出来る範囲は、斜線で示
す幅 2｜ΔZ ｜の帯状の範囲である。

【００２２】図３（２）は、図３（１）の被観察物体3
をＣＣＤカメラ4 で撮像した場合の画像である。図３
（２）に示すように、ＣＣＤカメラ4 で撮像した被観察
物体3の画像の内、焦点が合っている範囲は斜線で示す
帯状の範囲である。この場合、対物レンズ1 と被観察物
体3 の距離を少しずつ変えると、図３（２）中の良好に
観察出来る帯状の範囲も変化する。

【００２３】従って、対物レンズ1 と被観察物体3 の距
離を 2｜ΔZ ｜よりも小さな一定量ずつ変えながら、Ｃ
ＣＤカメラ4 で被観察物体3 を複数回撮像し、撮像した
複数の画像の中から焦点が合っている範囲の画像を抽出
して記憶する。そして、焦点の合っている複数の領域の
画像を合成すれば、被観察物体3 全体に焦点が合った画
像を生成することができる。

【００２４】次に、本発明の実施の形態の三次元形状観
察装置の動作を、図４に示すフローチャートに従って説
明する。本実施の形態の三次元形状観察装置は、対物レ
ンズ1 の焦点深度より大きな凹凸を有する被観察物体3
を良好に観察するものであり、かかる被観察物体3 が試
料台17の上に載置される（ステップＳ1 ）。

【００２５】次に、被観察物体3 における対物レンズ1
の焦点深度内にある領域が特定される（ステップＳ2
）。この場合、対物レンズ1 の焦点深度内にある領域
は、後で詳述するように、二次元の干渉計により被観察
物体3 の表面形状を測定することにより特定する。な
お、二次元の干渉計により被観察物体3 の表面形状を測
定する場合は、照明ランプ7 の光をシャッタ8 で遮断
し、第１と第２の光源LT1 、LT2 を時間的に切り換えて
別々に点灯する。

【００２６】次に、第１と第２の光源LT1 、LT2 を消灯
してシャッタ8 を開き、被観察物体3 に照明ランプ7 の
光を投光し、ＣＣＤカメラ4 により被観察物体3 を撮像
する（ステップＳ3 ）。そして、ＣＣＤカメラ4 により
撮像した画像の中から、対物レンズ1 の焦点深度内にあ
る領域の画像のみを抽出し、第1 のメモリ6 に記憶する
（ステップＳ4 ）。

【００２７】次に、試料台17をピエゾ素子18で光軸方向
に焦点深度よりも小さい任意の量だけ動かす（ステップ
Ｓ5 ）。そして、被観察物体3 のすべての領域の画像を
抽出したか否かを判断し（ステップＳ6 ）、まだ抽出し
ていない領域がある場合（NO）は、ステップＳ2 に移行
し、前述と同様に、焦点深度内にある領域が特定され、
その領域の画像のみが第1 のメモリ6 に記憶される（ス
テップＳ2 〜Ｓ5 ）。

【００２８】この場合、焦点深度内にある領域の画像が
重複する場合は、どちらか一方の画像だけを第1 のメモ
リ6 に記憶すればよいが、重複する画像を平均化した画
像を第1 のメモリ6 に記憶してもよい。

【００２９】一方、ステップＳ6 において、被観察物体
3 のすべての領域の画像を抽出したと判断した場合（YE
S ）は、第1 のメモリ6 に記憶された画像を合成して被
観察物体3 全体に焦点の合った画像を生成し、その画像
をビデオモニタ16に出力する（ステップＳ7 ）。

【００３０】このように、本実施の形態の三次元形状観
察装置は、対物レンズ1 と被観察物体3 の距離を、対物
レンズ1 の焦点深度よりも小さい量だけ変えながら、Ｃ
ＣＤカメラ4 で被観察物体3 を複数回撮像し、撮像した
複数の画像の中から焦点が合っている範囲の画像を抽出
して第1 のメモリ6 に記憶する。そして、第1 のメモリ
6 に記憶された焦点の合っている複数の領域の画像を合
成するので、被観察物体3 全体に焦点が合った画像を生
成することができる。

【００３１】次に、被観察物体3 の焦点深度内にある領
域を特定する動作を、図５に示すフローチャートにより
説明する。本実施の形態の三次元形状観察装置では、焦
点深度内にある領域の特定は、二次元の干渉計により、
被観察物体3 の表面の凹凸状態を測定することにより行
う。

【００３２】まず、シャッタ8 により照明ランプ7 の光
を遮断し（ステップＳ11）、平面鏡12を基準値x0の位置
に設定する（ステップＳ12）。そして、平面鏡12を、ハ
ーフプリズム11から離れる方向に、速度v1で時間t1の間
移動すると共に、第１の光源LT1 を、その時間t1の間だ
け発光する（ステップＳ13）。

【００３３】狭帯域のスペクトルを有する第１の光源LT
1 から光は、ハーフミラー9 とダイクロイックミラー10
を透過してハーフプリズム11に達する。ハーフプリズム
11で反射した光は、対物レンズ1 により観察領域へ集光
されて被観察物体3 で反射する。そして、再び対物レン
ズ1 を通り、ハーフプリズム11を透過して接眼レンズ2
によりＣＣＤカメラ4 上に集光される。

【００３４】一方、第１の光源LT1 の光の内、ハーフプ
リズム11を透過した光は平面鏡12で反射されて再びハー
フプリズム11へ戻り、ハーフプリズム11で反射されて接
眼レンズ2 によりＣＣＤカメラ4 上に集光される。

【００３５】第１の光源LT1 の光のスペクトルは狭帯域
である為、可干渉距離が長く、被観察物体3 で反射した
光と平面鏡12で反射した光はＣＣＤカメラ4 上で干渉を
起こし、被観察物体3 の凹凸に応じた干渉縞を生成す
る。図６（１）に、図３（１）に示した被観察物体3 に
第１の光源LT1 の光を照射した場合の干渉縞を示す。Ｃ
ＣＤカメラ4 は、各ピクセルが受光する干渉縞の光量P1
1 に応じた信号を出力し、その光量P11 を第２のメモリ
14に記憶する（ステップＳ14）。

【００３６】次に、被観察物体3 の反射率に依存しない
干渉縞の光量を求めるために、平面鏡12を、ステップＳ
13と同様に、ハーフプリズム11から離れる方向に、速度
v1で時間t1の間移動し、第１の光源LT1 をその時間t1の
間だけ発光する（ステップＳ15）。そして、演算部15に
おいて、ＣＣＤカメラ4 の各ピクセルが受光する干渉縞
の光量P12 に応じた信号を出力し（ステップＳ16）、被
観察物体3 の反射率に依存しない正規化された干渉縞の
光量ΔP1ｎを求める（ステップＳ17）。

【００３７】次に、今までとは逆に、平面鏡12をハーフ
プリズム11に近づく方向に、速度v2で時間t2の間移動す
ると共に、第２の光源LT2 をその時間t2の間だけ発光す
る（ステップＳ18）。図６（２）に第２の光源LT2 によ
る干渉縞を示す。第２の光源LT2 の光の波長が第１の光
源LT1 の光の波長より長い場合は、第２の光源LT2 によ
る干渉縞の間隔は、第１の光源LT1 の場合より広くな
る。そして、ＣＣＤカメラ4 により各ピクセルが受光す
る干渉縞の光量P22 に応じた信号の大きさを第２のメモ
リ14に記憶する（ステップＳ19）。

【００３８】更に、平面鏡12を、ステップＳ18と同様
に、ハーフプリズム11に近づく方向に、速度v2で時間t2
の間移動し、第２の光源LT2 をその時間t2の間だけ発光
する（ステップＳ20）。そして、ＣＣＤカメラ4 により
各ピクセルが受光する干渉縞の光量P21に応じた信号を
出力し（ステップＳ21）、演算部15において、被観察物
体3 の反射率に依存しない正規化された干渉縞の光量Δ
P2ｎを求める（ステップＳ22）。

【００３９】この場合、後で詳述するように、ΔP1ｎ＝
ΔP2ｎ＝０の近傍領域が焦点深度内にある領域である
（ステップＳ23）。このように、被観察物体3 の焦点深
度内にある領域を特定すれば、ＣＣＤカメラ4 により撮
像した被観察物体3 の画像の中から、焦点深度内にある
領域の画像を抽出することができる。

【００４０】次に、被観察物体3 の焦点深度内にある領
域を特定する過程を数式で説明する。ここでは、干渉条
件を変える為に、平面鏡12をピエゾ素子13で変位させる
必要があるが、ピエゾ素子13が駆動する時間も有効に利
用することを考え、光量変化を積分する方法で行うこと
にする。図２に示したように、ハーフプリズム11の中心
P0から被観察物体3 までの光路長をLpとし、ハーフプリ
ズム11の中心P0から平面鏡12までの光路長をx とする
と、被観察物体3 で反射されてCCD カメラ4 に達する光
線の波動Asは(2) 式のように表せる。

【００４１】As＝rs×exp(i ×k1×2Lp ） …… (2) ただし、i は複素記号であり、rsは波動Asの振幅強度で
あり、k1＝2 π/ λ1 である。また、λ1 は第１の光源
LT1 から射出される光の中心波長である。

【００４２】一方、平面鏡12で反射されてCCD カメラ4
上で波動Asと干渉する光線の波動Amは(3) 式のように表
せる。

【００４３】Am＝rm×exp(i ×k1×2x） …… (3) ただし、rmは波動Amの振幅強度である。尚、(2),(3) 式
において、平面鏡12へ行く光線との共通光路で生じる位
相変化の項と、時間変化の項は省略した。

【００４４】波動Asと波動AmがCCD カメラ4 上で干渉す
ると、次の(4) 式で表されるようなエネルギー強度I が
得られる。

【００４５】 I ＝｜As＋Am｜² ＝rs² ＋ rm²＋2 rs×rm×cos ｛2 ×k1(x−Lp) ｝ …… (4) ここで、図５のステップＳ13に対応して、平面鏡12を基
準値x ＝x0となる位置からハーフプリズム11と離れる方
向へ、一定速度v1で時間t1だけ移動させる場合の光量を
計算する。なお、第１の光源LT1 は制御系5 によりこの
時間t1の間だけ発光される。

【００４６】この場合、ステップＳ14において、波動As
と波動Amが入射するCCD カメラ4 上の各ピクセルが検知
する光量P11 は、(4) 式のエネルギー強度I を時間t1の
間積分したものであり、次の(5) 式で表せる。

【００４７】 P11=(rs²＋rm²)t1＋ 2｛(rs ×rm)/(k1 ×v1) ｝cos ｛2 ×k1(x0 ＋ v1 ×t1−Lp) ｝sin(k1×v1×t1) …… (5) ここで、時間t1を、 t1= π/(2 ×k1×v1)=λ1/(4×v1) …… (6) とすると、 (5)式は、 P11=( λ1/ 4×v1)(rs² ＋rm²)−｛(rs ×rm×λ1)/(π×v1) ｝ si｛ 4π(x0 −Lp)/λ1 ｝ ……(7) となり、光量P11 の変数は光路長Lpだけになる。この光
量P11 が制御系5 からの指令により第2 のメモリ14に記
憶される。

【００４８】次に、ステップＳ15において、平面鏡12を
ステップＳ13と同方向へ時間t1だけ移動させるとする
と、この間に波動Asと波動Amが入射するCCD カメラ4 上
の各ピクセルが検知する光量P12 は、(7) 式と同様の計
算により、 P12=( λ1/ 4×v1)(rs² ＋rm²)＋｛(rs ×rm×λ1 )/( π×v1) ｝sin ｛4 π(x0 −Lp)/λ1 ｝ ……(8) となる。

【００４９】(8) 式の光量P12 は、制御系5 の指令によ
り演算部15に送られ、光量P12 から第2 のメモリ14に記
憶された光量P11 が減算され、次の(9) 式に示す光量の
差ΔP1が得られる。

【００５０】 ΔP1=P12−P11= 2｛(rs ×rm×λ1 )/( π×v1) ｝ sin｛4 π(x0 − Lp)/λ1 ｝ …… (9) 更に、(7) 式の光量P11 及び(8) 式の光量P12 に対し
て、演算部15で以下の演算を行うと、波動Asの振幅強度
rsが求まる。なお、波動Asの振幅強度rsは、被観察物体
3 の表面の各点での反射率によって異なる。

【００５１】 rs= ｛(2V/λ1)×(P11＋P12)−rm² ｝^1/2 ……(10) 一方、波動Amの振幅強度rmは平面鏡12で反射される光の
振幅強度であるため既知の値として良い。従って、(9)
の光量の差ΔP1を、 2｛(rs ×rm×λ1 )/( π×v1) ｝
で除算することができ、正規化された光量差ΔP1ｎが得
られる。

【００５２】 ΔP1ｎ=sin｛4 π(x0 −Lp)/λ1 ｝ …… (11) (11)式は、ハーフプリズム11の中心P0から被観察物体3
の表面上の各点までの光路長Lpに応じて、干渉縞の強度
が正弦波状に変化することを表している。

【００５３】ここで、Lp＝x0の場合に対物レンズ1 の焦
点位置が正確に合うように調整しておくものとすれば、
ΔP1ｎ＝0 を満たす被観察物体3 の表面上の点に焦点が
合っていることになる。

【００５４】しかしながら、正規化された光量差ΔP1ｎ
は、(11)式からわかるように、光路長Lpが (λ1)/2の整
数倍だけずれた位置でも0 となるので、これだけでは対
物レンズ1 の焦点深度内にあるとは断定出来ない。

【００５５】そこで、図５のステップＳ18に対応して第
１の光源LT1 を消灯し、第１の光源LT1 より僅かに波長
の長い第２の光源LT2 を点灯して上記と同様の処理を行
う。即ち、平面鏡12をステップＳ15の最終位置からハー
フプリズム11へ近づく方向へ、一定速度v2で時間t2（=
λ2/(4×v2) ）だけ移動させる。第２の光源LT2 は制御
系5 によりこの間だけ発光される。

【００５６】この場合、ステップＳ19において、波動As
と波動Amが入射するCCD カメラ4 上の各ピクセルが検知
する光量P22 は、第１の光源LT1 による場合と全く同様
の計算により(12)式で表せる。

【００５７】 P22=( λ2/ 4×v2)(rs² ＋rm²)＋｛(rs ×rm×λ2)/(π×v2) ｝sin｛ 4π(x0 −Lp)/λ2 ｝ ……(12) ただし、λ2 は第２の光源LT2 から射出される光の中心
波長である。尚、ここでは、第２の光源LT2 と第１の光
源LT1 の出力それぞれの信号振幅が等しくなるように調
整されているものとする。また、両者の波長差は僅かな
ので、被観察物体3 と平面鏡12の反射率は両波長で等し
いと考えられ、それぞれの反射率は第１の光源LT1 の場
合と同様の符号を用いる。この場合の光量P22 も、制御
系5 からの指令により第2 のメモリ14に記憶される。

【００５８】次に、ステップＳ20において、平面鏡12を
ステップＳ18と同じ方向へ時間t2だけ移動させる。この
間に波動Asと波動Amが入射するCCD カメラ4 上の各ピク
セルが検知する光量P21 は、第１の光源LT1 による場合
と全く同様の計算により(13)式で表せる。

【００５９】 P21=( λ2/ 4×v2)(rs² ＋rm²)−｛(rs ×rm×λ2)/(π×v2) ｝sin｛ 4 π(x0 −Lp)/λ2 ｝ ……(13) (13)式の光量P21 は、制御系5 の指令により演算部15に
送られ、第2 のメモリ14に記憶された光量P22 から光量
P21 が減算され、次の(14)式に示す光量の差ΔP2が得ら
れる。

【００６０】 ΔP2=P22−P21= 2｛(rs ×rm×λ2 )/( π×v2) ｝ sin｛4 π(x0 − Lp)/ λ2 ｝ …… (14) 光量の差ΔP2を 2｛(rs ×rm×λ2 )/( π×v2) ｝で除
算し、ステップＳ22において正規化された光量差ΔP2ｎ
を求める。

【００６１】 ΔP2ｎ=sin｛4 π(x0 −Lp)/λ2 ｝ …… (15) ここで、前述のように、Lp＝x0の時、対物レンズ1 の焦
点位置が正確に合うように調整しておくものとすれば、
ΔP2ｎ＝0 を満たす被観察物体3 の表面上の点に焦点が
合っていることになる。

【００６２】この場合も、第１の光源LT1 の場合と同様
に、正規化された光量差ΔP2ｎは、(15)式に示すよう
に、光路長Lpが (λ2)/2の整数倍の位置でも0 となるの
で、これだけでは対物レンズ1 の焦点深度内にあるとは
断定出来ない。

【００６３】しかし、正規化された光量差ΔP1ｎ、ΔP2
ｎが同時に0 になるのは、x0＝Lpの場合以外にその近傍
には存在しない。この為、正規化された光量差ΔP1ｎ、
ΔP2ｎの両者が0 になる位置を見つければ、実用的に
は、その位置が対物レンズ1 の焦点位置にあるとみなす
ことができる。

【００６４】この証明は以下の様に行うことが出来る。
(11)、(15)式より、正規化された光量差ΔP1ｎ、ΔP2ｎ
が0 になる条件は、それぞれ x0−Lp＝（λ1 ／4 ）× m1 …… (16) x0−Lp＝（λ2 ／4 ）× m2 …… (17) である。ここで、m1、m2は整数である。

【００６５】この場合、波長λ1 、λ2 は整数ではない
ので、一般的には、(16)、(17)式が同時に成立するの
は、m1＝m2＝0 の時以外はあり得ない。

【００６６】しかし、実用的には、正規化された光量差
ΔP1ｎ、ΔP2ｎがほぼ0 になれば、その位置が対物レン
ズ1 の焦点位置にあるとみなすことができるので、正規
化された光量差ΔP2ｎが0 になる(x0-Lp) の値が、正規
化された光量差ΔP1ｎが0 になる(x0-Lp) の値よりも、
微少量εだけずれていてもよいとする。尚、微少量ε
は、ほぼ(18)式に示す範囲である。 0<ε< ｜λ2 −λ1 ｜/8 …… (18)

【００６７】図７は、(11)、(15)式に示した正規化され
た光量差ΔP1ｎ、ΔP2ｎを縦軸とし、(x0-Lp) を横軸と
して表したものである。図７において、実線は、波長λ
1 の正規化された光量差ΔP1ｎであり、点線は、波長λ
2 の正規化された光量差ΔP2ｎである。

【００６８】正規化された光量差ΔP1ｎ、ΔP2ｎは、x0
-Lp=0 の位置で位相が合っているとすると、そこから1/
4波長離れた付近の両者が０になる位置では (λ2 −λ
1)/4の差が生じる。(18)式は、｜λ2 −λ1｜/8より小
さい微少量εの範囲を、実用的にΔP1ｎ＝ΔP2ｎ＝0 と
みなせる範囲と仮定するものである。

【００６９】一方、図７に示すように、正規化された光
量差ΔP1ｎ、ΔP2ｎの位相差は、(x0-Lp) の値が0 の位
置から波長の1/4である(λ1)/4≒(λ2)/4だけずれる毎
に、｛ (λ2 −λ1 ）/ λ2 ｝πだけずれる。更に、(x
0-Lp) の値が大きくなると、しばらくは正規化された光
量差ΔP1ｎとΔP2ｎの差が大きくなるが、位相差がほぼ
πだけずれて、もし正規化された光量差ΔP1ｎとΔP2ｎ
が０になるそれぞれの位置x0-Lpの差がε以下になれ
ば、両者が同時に０になったとみなしても良い。

【００７０】この時の位置は、２つの干渉縞の強度から
は、x0-Lp=0の位置と区別出来なくなる。従って、干渉
縞から正しく計測出来る被観察物体3の凹凸は、最悪、
位相差変化がπ以下の範囲でなければならない。ここ
で、位相差がπに相当する光路長を計算するために、位
相差がπだけずれる干渉縞のピッチ数Npを計算すると、 Np＝λ1/｛2(λ2 −λ1)｝ …… (19) となる。ピッチ数Npを(x0-Lp) の変位Δx0に換算する
と、 Δx0＝ (λ1/2)×Np＝(λ1)²／ 4 (λ2 −λ1 ） …… (20) となる。例として、λ1 ＝500nm,λ2 ＝510nm とする
と、Δx0＝6.25μｍとなるので、被観察物体3 の高さ方
向の中心で、ΔP1ｎ＝ΔP2ｎ＝0 となるように調整を行
っておき、被観察物体3 の凹凸が2 Δx0＝12.5μｍ以内
であれば、その面の各点での高さを正しく計測出来るこ
とになる。このようにして被観察物体3 の表面形状を計
測することが出来れば、対物レンズ1 の焦点深度内にあ
る領域を特定することが出来る。

【００７１】このように本実施の形態の三次元形状観察
装置によれば、被観察物体3 と対物レンズ1 の距離を変
えながらCCD カメラ4 により被観察物体3 を複数回撮像
し、その画像の中から焦点深度内にあると特定された領
域の画像のみを抽出し、それらの領域の画像を合成する
ことにより、凹凸のある被観察物体3 全体に焦点が合っ
た画像を形成することができる。

【００７２】また、本実施の形態の三次元形状観察装置
は、白色光の照明ランプ7 で被観察物体3 を照明するの
で、白黒画像しか形成出来ないレーザ顕微鏡とは異な
り、凹凸のある被観察物体3 のカラー画像を形成するこ
ともできる。

【００７３】更に、本実施の形態の三次元形状観察装置
は、被観察物体3 の凹凸を計測してから画像を形成する
ので、斜めから見た画像を表示することも可能となり、
被観察物体3 の立体的な形状を把握することも容易であ
る。

【００７４】なお、上記の実施の形態では、第１、第２
の光源LT1 、LT2 として独立の光源を用いたが、照明ラ
ンプ7 の光をフィルタにより狭帯域の光として利用して
もよい。また、上記の実施の形態では、(11)、(15)式に
示した正規化された光量差ΔP1ｎ、ΔP2ｎを、各ピクセ
ルが受光する光量を積分して求めたが、各ピクセルが受
光する光量を、平面鏡12を所定の位置に設定してサンプ
リングすることにより求めてもよい。

【００７５】本発明の保護範囲は、上記の実施の形態に
限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均
等物に及ぶものである。

【００７６】

【発明の効果】本発明によれば、被観察物体と対物レン
ズとの距離を対物レンズの焦点深度に応じた量だけ変化
させて被観察物体を複数回撮像し、撮像した複数の画像
の中から対物レンズの焦点深度内にある領域の画像を抽
出してメモリに記憶し、メモリに記憶した画像を合成し
て被観察物体全体の画像を形成する。従って、対物レン
ズの焦点深度よりも大きな凹凸を有する被観察物体であ
っても、その全体に焦点の合った明瞭な画像を形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の三次元形状観察装置の構
成図である。

【図２】二次元干渉計における光路長の説明図である。

【図３】焦点深度以上の凹凸を有する被観察物体の場合
の説明図である。

【図４】本発明の実施の形態における画像形成のフロー
チャートである。

【図５】被観察物体における対物レンズの焦点深度内に
ある領域を特定するフローチャートである。

【図６】二次元干渉計による干渉縞の説明図である。

【図７】正規化された光量差の変化を示す図である。

【符号の説明】

1 対物レンズ 2 接眼レンズ 3 被観察物体 4 CCD カメラ 5 制御系 6 第1 のメモリ 7 照明ランプ 8 シャッタ 9 ハーフミラー 10 ダイクロイックミラー 11 ハーフプリズム 12 平面鏡 13,18 ピエゾ素子 14 第2 のメモリ 15 演算部 16 ビデオモニタ 17 試料台 LT1 第１の光源 LT2 第２の光源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】三次元形状を有する被観察物体を観察する
三次元形状観察装置において、前記被観察物体を対物レンズを通して撮像する撮像カメ
ラと、前記撮像カメラで撮像した画像を記憶するメモリと、前記被観察物体の凹凸を計測する二次元の干渉計とを有
し、前記被観察物体と前記対物レンズとの距離を前記対物レ
ンズの焦点深度に応じた量だけ変化させて前記被観察物
体を複数回撮像し、撮像した複数の画像の中から、前記
二次元の干渉計の干渉縞から特定される前記対物レンズ
の焦点深度内にある領域の画像を抽出し合成して前記被
観察物体全体の画像を形成することを特徴とする三次元
形状観察装置。
【請求項２】請求項１において、前記被観察物体における前記対物レンズの焦点深度内に
ある領域は、異なる波長の光の干渉縞の位相が一致した
領域の近傍であることを特徴とする三次元形状観察装
置。
【請求項３】請求項２において、前記異なる波長の光の干渉縞の位相が一致した領域は、
前記被観察物体の反射率に依存しない正規化された干渉
縞の強度から求めることを特徴とする三次元形状観察装
置。