JP2004177225A

JP2004177225A - Device and method for measuring dynamic shape and dynamic position simultaneously

Info

Publication number: JP2004177225A
Application number: JP2002342682A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Morita; 展弘森田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: JP4100553B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To simultaneously achieve the surface shape on the order of nanometers of a dynamic object of microstructure such as an MEMS or the like in the middle of moving, and the position of the object in an approximate optical axis direction of an optical system, by extracting only real images of the object. <P>SOLUTION: This simultaneous dynamic shape / dynamic position measuring device is composed of a light source for generating light of approximately single wavelength, an irradiation optical system for irradiating the object with the light from the light source, an interference optical system for causing reflected light by the object to interfere with reference light, a means for imaging an interference fringe formed in the interference optical system, an image formation optical system for forming an object image at the position of the imaging means, a computing unit 1 for finding the complex amplitude of light reflected by the object at the position of the imaging means, from an image only by the reference light and a single interference fringe image by the imaging means, a computing unit 2 finds the complex amplitude Uz of light reflected by the object at each of two or more positions in the optical axis direction of the object-reflected light, by computing the Fresnel diffraction of the complex amplitude Uo of the light reflected by the object at the position of the imaging means, and a computing unit 3 for finding the surface shape of the object and its position in the approximate optical axis direction of the irradiation optical system from Uz. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、微細構造をもち、動きを伴うＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム。Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）等の部品の加工精度評価や性能評価を行う方法及び装置に関するものであり、微細構造をもつ物体が動いている最中のナノオーダーの表面形状と、工学系軸方向における物体の位置を同時に測定することができ、ＭＥＭＳ等の微小構造の動的物体の加工精度評価、動作性能評価に利用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＥＭＳは、ミクロンオーダーのサイズであり、並進変位や傾きといった動きを伴うデバイスで、波長多重光通信における光イコライザー（クロスコネクター）や、プロジェクター、ディスプレイにおける空間光変調素子、あるいは光偏向器や、振動アクチュエータ等、多くの用途で用いられている。上記の用途においては、ＭＥＭＳは光学ミラーの役割を果たし、ミラー面の並進変位や傾きにより、反射光の角度や位置を制御するという作用をする。その場合、ミラーの表面形状や動いている最中での表面形状には、ナノメータオーダーの高い形状精度が要求される。
また図１（ａ）に示したような基準面２に振動ミラー１が取り付けられたＭＥＭＳにおいては、ミラーの駆動に伴ってミラー面の基準面に対する絶対位置が所定位置からずれる場合（図１（ａ）におけるｓに相当）があり、このためミラーによる反射光が所定位置に到達しなくなって、部品性能に影響する。そのため基準面に対するミラー面の位置（略照射光学系光軸方向における面の位置）を定量的に知ることが重要になる。さらにＭＥＭＳが、ミラーが複数個配置され（図２の符号３が各々のミラー面を表す）、それぞれが独立で動くようなミラーアレイによるものである場合は、鏡面に対して略垂直な方向（略照射光学系光軸方向）における各ミラー面の相対的な位置が、ミラーの駆動に応じて変化する場合があり、各々のミラーで反射した光が各々の所定位置に到達しなくなって、部品性能に影響を与えるため、各ミラー面の相対的な位置を知ることも重要となる。
【０００３】
被測定物の表面形状をナノメータオーダーで測定し、かつその位置を測定する方法として、特開平２００２−５６１９号公報の「干渉測定方法、装置及びその方法または装置により測定された物」（公知例１）がある。この方法では、レンズや複数枚のレンズから構成された組レンズ（群レンズ）を被測定物とし、低コヒーレンス光源における物体光路長と参照光路長が略一致したときに干渉縞が発生するという性質を利用して、参照ミラーを移動させながら参照光の光路長を変化させ、干渉縞が発生するときの参照ミラーの移動量を検出することにより、被測定物のレンズ面間隔、すなわち略照射光学系光軸方向における面の位置を測定する。この方法によると、光源のコヒーレンス長とほぼ同じ分解能での測定が可能となるため、コヒーレンス長の短い光源を用いれば高分解能での測定が可能となるが、しかし、測定の際、参照ミラーをメカ的に移動させながら時系列で測定データを収録するため、測定時間がかかるという問題がある。動作の高速化を図ることも考えられるが、時系列のデータ収録のため、物体が高速で動く場合、動いている最中での形状を測定することは困難である。
【０００４】
動いている物体の形状を測定可能な公知技術として、例えば武田光夫「フーリエ変換と光応用計測」、光技術コンタクト、Ｖｏｌ．３６、Ｎｏ．２、（１９９８）、Ｐ７２−８０がある（公知例２）。この方法では、物体反射光と参照光との間で発生した干渉縞を空間的に変調し（干渉縞間隔を変化させる）、収録した単一の干渉縞画像を基にナノメータオーダーで物体形状を計測することができる。単一画像の収録でよいため、時系列的な測定をする必要はなく、したがって物体が動いているとしてもその最中の表面形状を測定することができる。ただしその方法では、参照面に対する物体の相対的な形状は得られるが、略光学系光軸方向における物体表面の位置を測定することはできないため、上述のようなＭＥＭＳの位置測定に適用することはできない。
【０００５】
また動いている物体の形状を測定可能な他の公知技術として、米国特許第６２６２８１８Ｂ号の、「Ａｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｄｉｇｉｔａｌｈｏｌｏｇｒａｍｓｗｈｉｃｈａｌｌｏｗｓｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｐｈａｓｅｃｏｎｔｒａｓｔ」がある（公知例３）。この測定法ではオフアクシスデジタルホログラフィの原理を応用して、単一干渉縞画像を収録して、そこから物体の振幅像と位相像を求めている。この方法でも単一画像の収録でよいため、物体が動いているとしても動的形状の測定が可能となる。ただし、この方法で採用しているオフアクシスデジタルホログラフィは物体像を再生するとき、０次光による像、実像、虚像の３つの像が再生画像に現れてくるため、ＣＣＤの画素を有効活用できず面内空間分解能が低く、その上、前記３つの像を分離するために、干渉縞の空間周波数や物体距離、再生距離といった像再生のためのパラメータを調整する必要がある。
また、この方法でも、上記公知例２の方法と同様、参照面に対する物体の相対的な形状は得られるが、略光学系光軸方向における物体表面の位置を測定することはできないため、上述のようなＭＥＭＳの位置測定に適用することはできない。
【０００６】
【文献１】武田光夫「フーリエ変換と光応用計測」、光技術コンタクト、Ｖｏｌ．３６、Ｎｏ．２、（１９９８）、Ｐ７２−８０
【特許文献１】特開平２００２−５６１９号公報
【特許文献２】米国特許第６２６２８１８Ｂ号明細書
【０００７】
【解決しようとする課題】
【課題１】（請求項１に対応）
本発明の課題１は、ＭＥＭＳ等の微細構造の動的物体において、物体の実像のみを抽出して、物体が動いている最中のナノメータオーダーの表面形状と、略光学系光軸方向における物体の位置を同時に取得できるようにすることである。
【０００８】
【課題２】（請求項２に対応）
請求項１の動的形状及び動的位置を同時測定装置で測定する場合、参照光のみの画像が必要となる。その場合被測定物を設置しない状態での画像を収録すればよいが、測定装置の設置環境によっては、装置周りの構造物からの反射光が撮像手段に入射し、ノイズとなって測定精度を低下させる場合がある。
本発明の課題２は、被測定物から撮像手段までの光路中に遮光手段を設置し、物体反射光を遮ることにより、ノイズのない参照光のみの画像を取得し、これによりノイズの影響を受けない高精度の測定装置を提供することである。
【０００９】
【課題３】（請求項３に対応）
請求項２における遮光手段の設置について、手作業で被測定物から撮像手段までの光路中に遮光手段を設置してもよいが、被測定物が変わるたびに遮光手段を設置する作業がはいった場合、これを手作業で行うのは作業性、操作性に欠ける。
本発明の課題３は、遮光手段を、光学系光軸とほぼ垂直な方向に進退可能なステージに搭載し、ステージを駆動させることにより遮光手段の前記光路中への設置を自動化し、これにより、請求項１の、動的形状及び動的位置の同時測定装置の操作性を向上させることである。
【００１０】
【課題４】（請求項４に対応）
物体像を光学的に拡大して撮像手段位置で結像させる場合、顕微鏡対物レンズ等を用いて物体反射光を球面波にする方法が有効である。その場合、参照光が平面波であると、参照光と物体反射光との間に波面の曲率の差に伴う光路差が生じ、発生する干渉縞にデフォーカス成分がのる。デフォーカス成分を除去するには、参照光を物体反射光の球面波と同じ曲率をもつ球面波にしてやればよいが、物体光路と参照光路それぞれにレンズを設置すると光学系が複雑になり、調整も困難で測定誤差が生じやすい。
本発明の課題４は、物体像を拡大して撮像手段位置で結像するための光学系と干渉光学系とを一体化することにより、物体光を球面波に変換するためのレンズと参照光を球面波にするためのレンズを同一とし、これにより測定光学系の構成および調整を簡素化し、測定誤差を低減することである。
【００１１】
【課題５】（請求項５に対応）
被測定物が周期振動する物体の場合、振動中の物体表面の傾きにより、物体反射光と参照光との間の光路差が異なってくるため、測定したい物体表面の傾きごとで干渉縞の縞間隔が異なることになる。
干渉縞に空間変調をかけると干渉縞の縞間隔を所定量に設定する必要があり、測定する物体表面の傾きにより干渉縞の空間キャリヤ周波数が異なり測定条件が変わってくると、測定値の信頼性が低下する。干渉縞の空間キャリヤ周波数が一定となるように、物体を静止させた状態で物体表面と参照ミラーとのなす角度を調整するという作業を行ってから、干渉縞を収録するという手順をふんでもよいが、測定のたびにその作業を行っていたのでは、作業性、操作性が悪く、測定の効率が落ちる。
本発明の課題５は、前記光源と照射光学系と干渉光学系と撮像手段と結像光学系を一体にしたユニットの傾きを変化させる回転ステージを構成に加え、その回転量を指定することにより干渉縞の縞間隔を設定し、それにより物体表面の傾きにかかわらず一定条件の安定した測定を効率よく行えるようにすることである。
【００１２】
【課題６】（請求項６に対応）
被測定物が周期振動する物体の場合、振動中の物体表面の傾きにより、物体反射光と参照光との間の光路差が異なってくるため、測定したい物体表面の傾きごとで干渉縞の縞間隔が異なることになる。
干渉縞に空間変調をかけると干渉縞の縞間隔を所定量に設定する必要があり、測定する物体表面の傾きにより干渉縞の空間キャリヤ周波数が異なり測定条件が変わってくると、測定値の信頼性が低下する。干渉縞の空間キャリヤ周波数が一定になるように、物体を静止させた状態で物体表面と参照ミラーとのなす角度を調整するという作業を行ってから、干渉縞を収録するという手順をふんでもよいが、測定のたびにその作業を行っていたのでは、作業性、操作性が悪く、測定の効率が落ちる。
本発明の課題６は、前記照射光学系の光軸と前記結像光学系の光軸を相対的にシフトさせる直動ステージを構成に加え、その移動にて被測定面への照射光が被測定面に入射する角度を変化させることにより干渉縞の縞間隔を設定し、それにより物体表面の傾きに関わらず一定条件の安定した測定を効率よく行えるようにすることである。
【００１３】
【課題７】（請求項７に対応）
演算により求めた物体反射光複素振幅データのうちの振幅データ（振幅像）にもとづき、物体の位置を求める場合、物体反射光の略光軸方向における複数の位置での物体反射光の振幅像を求め、画像における像の合焦状態を検出することにより物体位置を測定する。合焦状態を検出するには、像のテクスチャ（模様）のぼけ具合を定量的に検知する必要がある。一方、レーザ光源は時間的、空間的コヒーレンスが高いため、回折の影響によりテクスチャが鮮明に観測できないときがあり、また測定光学系の構成面の反射光によるノイズ干渉縞（物体形状に依存しない干渉縞）が発生しやすいため、それらは測定精度を劣化させる。
本発明の課題７は、光源に拡散光源を用いることにより、その空間的コヒーレンスを落とし、それにより回折の影響の少ない鮮明なテクスチャを観測可能とし、またノイズ干渉縞を低減し、これにより測定精度を向上させることである。
【００１４】
【課題８】（請求項８に対応）
干渉縞画像を収録して物体表面形状を測定する場合、干渉縞画像を収録している最中に物体が動くと干渉縞が乱れて正確な測定ができなくなる。そのような場合、物体の動作速度に対して十分短い撮像速度で干渉縞を収録するか、物体への光の照射時間を十分短くすればよいが、撮像手段および光源の性能、価格を比較すると、撮像時間を短くするのに比べ、照射時間を短くする方が有利である。
本発明の課題８は、光源にパルス光源を使用し、物体への光の照射時間を短くすることにより、物体が高速で動いているような場合でも高精度で測定できるようにすることである。
【００１５】
【課題９】（請求項９に対応）
課題９は、請求項１の動的形状及び動的位置の同時測定装置を実現するための方法を提供することである。
【００１６】
【課題１０】（請求項１０に対応）
請求項１の動的形状及び動的位置の同時測定装置において、参照光のみによる画像を取得するための方法を提供することである。
【００１７】
【課題１１】（請求項１１に対応）
請求項１の動的形状及び動的位置の同時測定装置において、参照光のみによる画像は測定の度に必要となるが、被測定物が変わっても光学系のセッティングに変化がなければ同じ参照光のみによる画像が複素振幅Ｕ_ｏを求めるための計算に利用できる。
本発明の課題１１は、そのような光学系のセッティングが変わらないような場合に、予め、遮光手段を用いて参照光のみの画像を収録してそれを記憶しておき、記憶した参照光のみの画像を複素振幅Ｕ_ｏを求めるための計算に用いることによって、測定のたびに参照光のみの画像を収録する手間を省いて、測定の操作性、作業性を向上させることである。
【００１８】
【課題１２】（請求項１２に対応）
請求項５、請求項６記載の動的形状及び動的位置の同時測定装置により周期振動する物体を測定する場合、物体光と参照光との間で発生する干渉縞の縞間隔を、請求項５のユニットの光学系光軸に対する直交２方向におけるチルトを変化させる回転ステージを用いたり、請求項６の照射光学系と結像光学系の光軸を相対的にシフトさせる直動ステージを用いたりして、任意に設定可能としている。収録する干渉縞の間隔が異なると、測定条件がかわり、それにより測定精度がかわってくるため、縞間隔の設定の目的は、被測定面の傾きに表面形状および略光学系光軸方向における位置を同じ測定条件で求めることにある。したがって物体が振動している最中に、測定したい被測定面の傾き状態に合わせて回転ステージの回転量や直動ステージの移動量を設定する必要がある。
本発明の課題１２は、被測定物の振動位相データをもとに被測定物の傾きを求め、その傾きから回転ステージの回転量や直動ステージの移動量を設定することで、物体の傾きに測定条件を一定とし、測定精度を安定させることである。
【００１９】
【課題１３】（請求項１３に対応）
被測定物が周期振動する場合、物体が評価したい傾きとなった状態にて干渉縞を収録する必要がある。その場合、干渉縞画像の収録タイミングを設定する必要がある。
本発明の課題１３は、干渉縞画像の収録タイミングを設定するために被測定物の振動の位相データを用いることで、物体が所定の傾きとなった状態における干渉縞画像の収録を正確に実施するための方法を提供することである。
【００２０】
【課題１４】（請求項１４に対応）
被測定物が周期振動する場合、物体が評価したい傾きとなった状態にて干渉縞を収録する必要がある。その場合、光源にパルス光源を用いる場合は、光源のパルス発光のタイミングを設定する必要がある。
本発明の課題１４は、光源のパルス発光のタイミングを設定するために被測定物の振動の位相データを用いることで、物体が所定の傾きとなった状態における光源のパルス発光を正確に実施するための方法を提供することである。
【００２１】
【課題１５】（請求項１５に対応）
請求項９の動的形状及び動的位置の同時測定方法により、物体反射光の複素振幅（Ｕ_ｉ）から求めた物体反射光の振幅データから物体の略照射光学系光軸方向における位置を測定する場合、物体像の合焦状態を検出する。合焦状態を検出するにはテクスチャー（模様）が必要となり、テクスチャーを観測しながら、その像が最もシャープになるときが合焦点状態、ぼけているときが焦点ずれ状態という具合に判定する。合焦点や焦点ずれは、ＣＣＤの微分和等の隣接画素計算によりコントラストのレベルを求めたり、ＣＣＤの単一画素での輝度を抽出したりすることによって定量的に検出される。
本発明の課題１５は、複数の面から構成された被測定物における所定のある面でのテクスチャーの合焦状態を検出することにより略照射光学系光軸方向における所定のある面の位置を測定し、所定の別の面におけるテクスチャーの合焦状態を検出することにより略照射光学系光軸方向における所定の別の面の位置を測定し、それらの差を求めることにより、略照射光学系光軸方向における面同士の相対的位置を測定し、これにより請求項９の同時測定方法を実現することである。
【００２２】
【課題１６】（請求項１６に対応）
課題１６は、被測定面が光学的粗面である場合に、被測定面の粗れの像をテクスチャーとすることにより、請求項９の同時測定方法を実現することである。
【００２３】
【課題１７】（請求項１７に対応）
ミラーや光学ガラス等の光学的鏡面をもつ物体では、面の粗れは光の回折限界以下のサイズとなり、光学的に観測することはできずに、テクスチャーが観測できなくなる。テクスチャーがないため合焦状態を検知できないという不具合を生じる。
本発明の課題１７は、被測定面が光学的鏡面である場合に、予め被測定面に印したマークの像をテクスチャーとすることにより、請求項９の同時測定方法を実現することである。
【００２４】
【課題１８】（請求項１８に対応）
ミラーや光学ガラス等の光学的鏡面をもつ物体では、面の粗れは光の回折限界以下のサイズとなり、光学的に観測することはできずに、テクスチャーが観測できなくなり、したがって、テクスチャーがないため合焦状態を検知できないという不具合を生じる。
本発明の課題１８は、被測定面が光学的鏡面である場合に、被測定面のエッジ像をテクスチャーとすることにより、請求項９の同時測定方法を実現することである。
【００２５】
【課題１９】（請求項１９に対応）
請求項１５の測定方法では、テクスチャー像があるすべての領域で、面の略照射光学系光軸方向における位置の測定値が得られる。被測定面が鏡面である場合、位相データを用いた表面形状の測定値が得られるが、位置の測定値と形状の測定値では分解能が異なるため、両者を関連づけることは困難である（例えば、任意のある部分とある部分の高さの差が、形状測定値をみると数ｎｍしかないのに、位置測定値をみると数μｍもあるという現象が生じる）。
本発明の課題１９は、テクスチャー像がある領域の所定部分を基準として設定しておき、位置測定ではその部分での測定値を被測定面の略照射光学系光軸方向における位置測定値とし、これにより、請求項９の同時測定方法を実現することである。
【００２６】
【課題２０】（請求項２０に対応）
請求項１５の測定方法では、テクスチャー像があるすべての領域で、面の略照射光学系光軸方向における位置の測定値が得られる。被測定面が鏡面である場合、位相データを用いた表面形状の測定値が得られるが、位置の測定値と形状の測定値では分解能が異なるため、両者を関連づけることは困難である（例えば、任意のある領域とある領域の高さの差が、形状測定値をみると数ｎｍしかないのに、位置測定値をみると数μｍもあるという現象が生じる）。
本発明の課題２０は、テクスチャー像における所定領域内での位置測定値の平均値を計算して、それを被測定面の略照射光学系項軸方向における位置測定値とし、これにより、請求項９の同時測定方法を実現することである。
【００２７】
【発明の構成及び作用】
次いで、図面を参照しながら、この発明の構成及び作用を主な請求項毎に順次説明する。
１．請求項１に係る発明
図３に本発明による装置構成の一例を示し、図３を測定法の原理および計算式を説明する。
図３の４は光源のＨｅ−Ｎｅレーザ、５は物体への照射光強度を調整するためのＮＤフィルタ、６はレーザからの光を拡大するためのビームエキスパンダである。ビームエキスパンダ６にて拡大され、ビームスプリッター７を透過した平行光は被測定物８に照射される。被測定物８で反射した光は、ビームスプリッター７で反射して、レンズ９を介してＣＣＤカメラ１０に到達する。レンズ９に関して被測定物８とＣＣＤカメラ１０はほぼ共役な関係（結像関係）になるように被測定物８とレンズ９とＣＣＤカメラ１０の相対的な位置が調整されている。一方、ビームエキスパンダ６にて拡大され、ビームスプリッター７で反射された光は、ＮＤフィルタ１１を通過し、参照ミラー１２で反射される。参照ミラーは、参照ミラーに入射する光の光軸に対するミラー面の傾きを変化させるための機構を有するホルダー１３にて保持されており、ミラー面の傾きを調整することができる。
【００２８】
参照ミラー１２にて反射された光は、ＮＤフィルタ１１を行きとは逆向きに通過したのち、ビームスプリッター７を透過して、レンズ９を介してＣＣＤカメラ１０に到達する。被測定物８で反射した光は物体光となり、参照ミラー１２で反射した光は参照光となって、両者は干渉して干渉縞を発生し、ＣＣＤカメラ１０によって干渉縞が撮像される。撮像された干渉縞画像は、フレームグラバ１４を介してコンピュータ１５に転送され、コンピュータのメモリに記録される。ビームスプリッター７で分岐された後の参照光路と物体光路の長さは、光源のＨｅ−Ｎｅレーザのコヒーレンス長以下になるように設定されている。また被測定物からの反射光がＣＣＤカメラで撮像するのに適した強度になるように、ＮＤフィルタ５により被測定物への照射光強度を調整してあり、また被測定物からの反射光と参照光との干渉により発生する干渉縞のコントラストが高くなるように、ＮＤフィルタ１１により参照光強度が調整されている。干渉縞の縞間隔は、ホルダー１３により参照ミラー面の傾きを変化させることにより調整される。
【００２９】
物体光と参照光との干渉により発生する干渉縞は次の（１）式にて表される。（１）式において、ｘ，ｙはＣＣＤの撮像面上での座標を表し、Ｉ（ｘ，ｙ）は干渉縞強度分布、ａ（ｘ，ｙ）は干渉縞のバックグラウンド強度分布、ｂ（ｘ，ｙ）は干渉縞の明暗変化の振幅の分布、φ（ｘ，ｙ）は被測定物体形状に対応した物体反射光の位相分布を表す。

（１）式において、物体の表面形状測定に不要な項ａ（ｘ，ｙ）、ｂ（ｘ，ｙ）を除去し、物体反射光の位相φ（ｘ，ｙ）を抽出して、それを形状に変換することにより、物体の表面形状が求められる。
【００３０】本発明では、動いている最中の物体の表面形状を測定するために、時系列的に複数枚の干渉縞画像を収録せず、単一の干渉縞画像を取得する。そのために例えば文献：武田光夫「フーリエ変換と光応用計測」光技術コンタクト、Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．２，（１９９８）に紹介されているフーリエ変換法を用いる。フーリエ変換法では、参照光と物体反射光との間に傾きをあたえた状態で両者を干渉させることにより、（２）式に示されるような空間キャリヤ周波数ｆ_Ｘ０とｆ_Ｙ０をもつ干渉縞を得る。

（２）の干渉縞画像を変数ｘ，ｙについてフーリエ変換すると、（３）式に示すような二次元空間周波数スペクトルが得られる。ここで＊は複素共役、Ａ（ｆ_Ｘ，ｆ_Ｙ）はａ（ｘ，ｙ）のフーリエスペクトルを表し、Ｃ（ｆ_Ｘ，ｆ_Ｙ）は干渉縞の明暗変化の複素振幅である（４）式のフーリエスペクトルを表す。

【００３１】空間キャリヤ周波数ｆ_Ｘ０とｆ_Ｙ０に対してバックグラウンド強度分布ａ（ｘ，ｙ）や干渉縞の明暗変化の複素振幅分布ｃ（ｘ，ｙ）の変化がゆるやかであれば、各スペクトルがキャリヤ周波数により分離されるため、（３）式における第２項の成分のみを抽出し、フーリエスペクトル座標における原点の位置に移動することにより空間キャリヤ周波数ｆ_Ｘ０とｆ_Ｙ０を取り除き、Ｃ（ｆ_Ｘ，ｆ_Ｙ）を得ることができる。そしてスペクトルＣ（ｆ_Ｘ，ｆ_Ｙ）の逆フーリエ変換により（４）式の複素振幅が得られる。得られた複素振幅の虚部と実部の比のアークタンジェントをとることにより位相φ（ｘ，ｙ）を求めるという一連の処理がフーリエ変換法である。以上のようにフーリエ変換法では物体反射光の位相分布を求めるが、本発明では、それに加えて物体反射光の振幅分布を求める。
参照光の複素振幅Ｕ_Ｒ（ｘ，ｙ）、物体光の複素振幅Ｕ_ｏ（ｘ，ｙ）をそれぞれ（５），（６）式のようにし（Ａは振幅、φは位相を表す）、参照光の位相分布φ_Ｒ（ｘ，ｙ）が０（理想波面）であるとすると、ｂ（ｘ，ｙ）は（７）式のように、参照光の振幅分布Ａ_Ｒ（ｘ，ｙ）と物体光の振幅分布Ａ_ｏ（ｘ，ｙ）によって表現できる。

【００３２】
被測定物を設置しない状態における画像は、参照光のみによる画像となるので、その参照光のみの画像を収録し、ＣＣＤの各々の画素で、その平方根をとることにより、参照光の振幅分布Ａ_Ｒ（ｘ，ｙ）を求めることができる。したがって、そのように取得したＡ_Ｒ（ｘ，ｙ）と、複素振幅ｃ（ｘ，ｙ）の実部Ｒｅ｛ｃ（ｘ，ｙ）｝と虚部Ｉｍ｛ｃ（ｘ，ｙ）｝を用いて、以下の（８）式、（９）式を計算することにより、ＣＣＤの撮像面の位置での物体反射光の位相分布φ_ｏ _０（ｘ，ｙ）と振幅分布Ａ_ｏ _０（ｘ，ｙ）を求めることができ、（６）式を用いてＣＣＤの撮像面の位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_ｏ _０（ｘ，ｙ）を表現できる。

（８）式の位相分布にλ／（２π）を乗ずることにより、被測定物の表面形状を求めることができる。
ただし、位相分布による形状は参照面形状に対する相対値であるため、被測定面の位置（物体反射光の略光軸方向への高さ）を求めることはできない。本発明では、そのような位置を（９）式で求めた振幅分布を利用して、合焦法の原理により求める。
【００３３】
合焦法は、例えば文献：石原満宏、佐々木博美「合焦法による高速三次元形状計測」精密工学会誌、ｖｏｌ．６３、Ｎｏ．１、１９９７で報告されているように、被測定物の像を対物レンズにてＣＣＤの撮像面上にほぼ結像させた状態で、対物レンズを光学系光軸方向に移動させながら複数枚の物体画像を収録する。対物レンズを光学系光軸方向に移動させると、その移動量に応じて物体像は焦点ずれをおこすため、それにより像のコントラストが変化する。したがって、焦点が合って、コントラストがピークとなったときの対物レンズ位置を検知することによって、光学系光軸方向における物体の高さを求めることができる。そしてＣＣＤ画像における微小領域毎で、コントラストのピークを検出することにより、その領域での物体の高さを求め、その処理をＣＣＤで観測できる全領域にて実施することにより、その全領域での表面の高さ分布を求めることができる。ただし、その方法によると、対物レンズを時系列的に移動させながら複数枚の画像を収録するため、物体が動いていると測定が困難となってきて、本発明のように動的物体の表面形状測定に適用させることはできない。
【００３４】
本発明では、従来合焦法において対物レンズの移動により生じさせた焦点ずれを、数値演算により与える。焦点ずれを生じさせるために、（８），（９）式で求めた振幅、位相を（６）式に代入して物体反射光の複素振幅Ｕ_ｏ（ｘ，ｙ）を求め、それを（１０）式に代入して、物体反射光のフレネル回折を計算する。

（１０）式において、Ｚは光学系光軸方向におけるＣＣＤ面からの距離を表し、Ｚの値を入力して（１０）式を計算することによりＣＣＤ面からＺだけ離れた位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_Ｚを求めることができる。所定のＺの位置での複素振幅から（９）式を用いて物体反射光の振幅分布Ａ_Ｚ（ｘ，ｙ）を得ることができ、また（９）式で求めた物体反射光の振幅分布は、ＣＣＤで観測した画像における各画素での強度の平方根をとったものと等価である。したがって、Ｚの値を変化させることにより、焦点ずれ量の異なる複数の振幅画像を取得することができる。従来の合焦法では対物レンズを移動させることによって焦点ずれを与えていたが、ここでは仮想的にＣＣＤを光学系光軸方向に移動させることによって焦点ずれを与えるという作業を数値演算処理により行っている。収録するのは単一の干渉縞であり、その後はすべて演算処理にて行うため、物体が動いていても対応可能である。焦点ずれの異なる複数の振幅画像を用い、従来合焦法による処理と同様、微小領域でのコントラストを求め、コントラストがピークとなるときのＺの値がその領域の高さとなる。ここで、焦点ずれに応じたコントラストを検出する場合について、その処理領域内にテクスチャーがある必要がある。従来合焦法では、面の粗い粗面物体を被測定物とすることが多いため、面の粗れをテクスチャーとして扱うことができるが、被測定物がミラー面の場合は、面粗さを光学的に検出するのは困難となる。
【００３５】
本発明では、それへの対応の一例として、被測定物であるミラー面の高さを知るために、ミラーのエッジ部分をテクスチャーとみなし、ミラーエッジの焦点ずれに伴うコントラストピークを検出することによりミラーの略光学系光軸方向における位置（高さ）を求める。その場合、ミラーエッジの像に当たる全てのＣＣＤ画素にて位置測定値が得られるが、ミラーエッジにおける所定の領域を予め基準領域として設定しておき、その領域での測定値をミラーの位置測定値として用いてもよいし、テクスチャーがある微小領域におけるすべての位置測定値を平均して、それをミラーの位置測定値として用いてもよい。ミラーのエッジとエッジ以外のミラー面との位置（高さ）の差は、（８）式の位相分布にて求められるため、位相分布を用いてミラーの表面形状をナノメータオーダーで測定でき、また振幅分布を用いてミラーの位置を測定でき、したがって両者を同時に取得できる。図４（ａ）に焦点ずれを与える数値演算処理のモデルを示し、図４（ｂ）にＺを変化させたときの振幅画像のミラーエッジ位置（●プロット）とミラーエッジのない位置（■プロット）におけるコントラスト変化の様子を示す。
【００３６】
図４（ａ）は、被測定物１６の像が、レンズ１７によりＣＣＤ撮像面１８ｂの位置で結像している様子を示している。目視で被測定物１６の像がほぼ結像する位置を原点にして、ＣＣＤの位置を例えば１８ａや１８ｃに仮想的に変化させることによりＺの値を変化させながら（１０）式を計算することによって、振幅像に焦点ずれを与えることができる。図４（ｂ）では横軸のＺの値をとってあり、縦軸にコントラストをとって、Ｚを変化させたときのコントラスト値がプロットしてある。図において●のプロットと■のプロットで示しているように、振幅像において、コントラストを検出する微小領域内にテクスチャーがある場合はコントラスト変化のレベルが大きくなり、テクスチャーがない場合はコントラスト変化のレベルが小さくなる。そのためにコントラスト変化のピーク値にスレッシュをかけることで、コントラストを検出する微小領域内にテクスチャーがあるかないかを判定できる。テクスチャーがある微小領域内でのみＤを求めればよい。
【００３７】
図４（ｂ）におけるＤを次の（１１）式に代入して得られるｄが位置の測定値となる。（１１）式におけるｋは焦点ずれに対する感度、Ｍは光学系倍率である。光学系倍率が大きくなるほど、測定分解能が向上する。

被測定物が、例えば図１に示したように、ベースに駆動ミラーがとりつけられたもののような場合は、ベースの位置測定値とミラーエッジの位置測定値とのＺの値との差をとれば、それがベースを基準としたときのミラーの位置となる。ベースの焦点ずれを検知する場合、ベースが粗面であれば、面の粗れの像をテクスチャーとして用いる。ベースが鏡面である場合は、ベースにあらかじめ印をつけておき、その印をテクスチャーとして用いてもよいし、ベース面上で結像するようなパターンをベースに投影して、それをテクスチャーとして用いてもよく、また、ベースのエッジが視野内に観測される場合はそれをテクスチャーとして用いてもよい。印をつける方法やパターンを投影する方法は、被測定物であるミラー面にも適用でき、被測定ミラー面上に予め印をつけておいたり、被測定ミラー面上で結像するようにパターンを投影したりして、その印やパターンをテクスチャーとして用いれば、ミラーのエッジをテクスチャーとして用いる必要はない。被測定物が、図２に示したようなミラーアレイの場合も、ミラーのエッジをテクスチャーとしたり、各ミラー面に投影したパターンをテクスチャーとすればよい。
【００３８】
図１に示したような振動ミラーを被測定物としたときの測定手順の例を説明する。図１（ｂ）は振動ミラーの振動の様子を側方から観察し、振動位相とミラーの傾きを説明したものである。
振動ミラーは図の矢印の方向に揺動するかたちで振動し、振動ミラーに照射した光の反射光の向きを変えたり、走査したりするという用途で使用される。振動位相が０度のときにミラー面は水平（図では実線で表した面）となる。そして振動位相が９０度のときにミラー面は左側に最大角度で傾き（図では点線で表した面）、振動位相が１８０度のときにミラー面は再び水平（図では実線で表した面）になり、振動位相が２７０度ときにミラー面は右側に最大角度で傾き（図では一点鎖線で表した面）、振動位相が３６０度のときにミラー面は再度水平（図では実線で表した面）になる。以上の動きを一周期として振動を繰り返し、ミラーの傾きは連続的に変化する。ミラー面の傾きの最大角度は、振動ミラーの振動振幅の仕様値で決定され、振動の周期もまた仕様を設定されている。
【００３９】
測定では振動中のミラーの形状と、ミラー面の略照射光学系光軸方向の位置を本発明による装置及び方法で測定するが、例えば、ミラーが水平になった状態（振動位相が０度）のときのミラー形状と位置であり、あるいはミラーが最大角度傾いた状態（振動位相が９０度、あるいは２７０度）のときのミラー形状と位置であるといったように、ミラーの傾きが所定の状態であるときのミラーの表面形状と位置を求める。
まず、被測定物を設置しない状態で参照光のみの画像を収録しておき、その後被測定物をセットする。そして被測定物を測定したい傾きで静止させておき、ミラーエッジ等のテクスチャーを目視で確認しながら、ミラー表面にほぼ焦点が合うように、光学系の光軸方向における被測定物の位置を調整する。そして参照ミラーの傾きを調整すると干渉縞が発生する。その後、干渉縞に所定の空間キャリヤ周波数がのるように、参照ミラーの傾きをさらに調整した後、被測定ミラーを振動させる。ＣＣＤカメラの撮像の周期が被測定ミラーの振動周波数に同期していない場合は、発生した干渉縞は動いたり、消えてしまったりする。ＣＣＤカメラの撮像の周期を被測定ミラーの振動周波数に同期させると、干渉縞はみかけ上静止して観測されるため、干渉縞をみかけ上静止させておき、所定のタイミングで干渉縞を収録すると、被測定ミラーの測定したい傾きにおける干渉縞を収録することができる。干渉縞収録後のデータ処理は原理説明で述べたようにすればよい。それにより動いている瞬間における略照射光学系光軸方向における基準となるベース面に対する被測定面の位置と、動いている瞬間における被測定面の表面形状が得られる。測定する際の被測定ミラーの傾きは任意でよいが、干渉縞に所定の空間キャリヤ周波数がのるように、参照ミラーの傾きが調整されていることが必要条件となる。測定したい振動ミラーの傾きによっては、ベース面とミラー面との傾きにより図１（ａ）に示したｓが求められなくなるが、ミラー面の照射光学系光軸方向における位置測定値と、ベース面の照射光学系光軸方向における位置測定値と、ベース面の照射光学系光軸方向における位置を測定した観測面内でのテクスチャー位置と、ミラー面の傾きとの幾何学的関係が求められるため、それを被測定物の性能や加工精度に反映すればよい。
【００４０】
次いで、被測定物が図２のようなミラーアレイを被測定物としたときの測定、処理手順の例を説明する。
ミラーアレイは、ディスプレイにおける空間変調素子として使用される場合は、各ミラー面がいくつか（例えば２つ）の所定の角度に切りかえられることにより、ミラーに照射される光の反射光をＯＮ／ＯＦＦするように作用する。その場合の角度が切りかえられた瞬間でのミラー面の形状と、各ミラー面の略照射光学系光軸方向における相対的な位置を本発明の装置及び方法で測定する。また、ミラーアレイが光通信における光イコライザー用に用いられる場合は、各ミラー面がいくつかの所定の角度に切りかえられることにより、一次元、あるいは二次元に配列された光ファイバーから各ミラーに照射される光の反射光が、一次元的、あるいは二次元的に配列された光ファイバーの所定位置に導光されるように動作する。その場合の角度が切りかえられた瞬間でのミラー面の形状と、各ミラー面の略照射光学系光軸方向における相対的な位置を本発明の装置及び方法で測定する。
【００４１】
測定の際は、まず被測定物を設置しない状態で、参照光のみの画像を収録しておき、その後被測定物をセットする。そしてミラーアレイを測定したいミラー角度において各ミラー面が略平行になるように静止させる。そしてミラーエッジ等のテクスチャーを目視で確認しながら、ミラ−表面にほぼ焦点が合うように、光学系の略光軸方向における被測定物の位置を調整する。そして、参照ミラーの傾きを調整すると、干渉縞が発生する。その後、干渉縞に所定の空間キャリヤ周波数がのるように参照ミラーの傾きをさらに調整した後、各ミラーが略平行になるようにしながらミラーアレイを駆動する。一定の周期で、かつ測定したいミラーの傾きになる状態に１周期内でなるようにミラーアレイを駆動し、ＣＣＤカメラの撮像の周期をミラーアレイの駆動周期に同期させると、干渉縞はみかけ上静止して観測される。逆にＣＣＤカメラの撮像の周期がミラーアレイの駆動周期に同期していないと、発生した干渉縞は動いたり、消えてしまったりする。ＣＣＤカメラの撮像の周期をミラーアレイの駆動周期に同期させて干渉縞をみかけ上静止させておき、所定のタイミングで干渉縞を収録すると、被測定ミラーの測定したい傾きにおける干渉縞を収録することができる。干渉縞収録後のデータ処理は原理説明のところで述べたようにすればよい。それにより動いている瞬間における略照射光学系光軸方向における各ミラー面の相対的位置と、動いている瞬間における各ミラー面の表面形状が得られる。測定する際のミラーの傾きは任意でよいが、干渉縞に所定の空間キャリヤ周波数がのるように、参照ミラーの傾きが調整されていること、また、ミラーアレイを構成する各ミラー面が略平行になるようにミラーアレイを駆動することが必要条件となる。
【００４２】
図５に、被測定面の照射光学系光軸方向における位置の測定と、被測定面の形状測定を行うための測定手順例を示す。図５において、ｉはカウント値、Ｚ０は位置測定を行う場合にＺを変化させる際の初期値、ΔＺはＺを変化させるピッチ、ＮはＺを変化させる回数を表し、他の英文字は実施例記載の英文字と同じ意味である。
【００４３】
２．請求項２に係る発明
請求項１の装置で測定する場合は、参照光のみの画像が必要となる。その場合、被測定物を設置しない状態での画像を収録すればよいが、測定装置の設置環境によっては、装置周りの構造物からの反射光がＣＣＤに入射し、ノイズとなって測定精度を低下させる場合がある。本発明では、測定のプロセスにて、図６に示したように、被測定物からＣＣＤまでの光路中に、手動で遮光板１９を設置し、物体反射光を遮ることにより、ノイズのない参照光のみの画像を取得する。図６における部品番号は、図３におけるものと共通である。それによりノイズの影響を受けない高精度の測定装置を提供することができる。
【００４４】
３．請求項３に係る発明
請求項２における遮光板の設置について、手作業で被測定物からＣＣＤまでの光路中に遮光板を設置してもよいが、被測定物が変わるたびに遮光板を設置する作業がはいった場合、手作業によると作業性、操作性に欠ける。本発明では、図７のように遮光板１９を、光学系光軸とほぼ垂直な方向に進退可能なステージ２０に搭載し、ステージ２０を進退させて遮光板を被測定物からＣＣＤまでの光路中に設置する。ステージ２０の進退を図示しないステッピングモータの回転等により行えば、パルス数の指定により、遮光板が被測定物からＣＣＤまでの光路中の位置に自動的に設置できる。それにより測定の操作性、作業性が向上する。
【００４５】
４．請求項４に係る発明
図８（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図８（ａ），（ｂ）において、図３と同じ番号で示された部品は、図３で示した部品と同じである。
符号２１のものは被測定物の像を拡大してＣＣＤの撮像面の位置で結像させる対物レンズである。拡大倍率を上げたい場合は顕微鏡対物レンズを用いればよい。被測定物８とＣＣＤ１０は、対物レンズ２１に関して光学的に共役な関係になるように、光学系光軸方向における位置関係が調整されている。図８（ａ）の構成の場合、物体反射光の光路にのみレンズが設置されているので、参照光と物体反射光とに波面に曲率の差が生じ、それにより発生する干渉縞に図９に示したようなデフォーカス成分が観測される。それにより収録した干渉縞から求めた物体反射光の複素振幅のうち、位相データにデフォーカス成分が生じ、それが表面形状の測定誤差となる。Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式等を用いてデフォーカス成分を補正してもよいが、光学系の拡大倍率を大きくしたときなど、デフォーカス成分が大きくなった場合、それに伴い干渉縞間隔が密になるため、ＣＣＤによる干渉縞の検出が不可能になる（干渉縞の間隔がＣＣＤ２画素分のサイズより小さくなる）。
【００４６】
またデフォーカス成分を除去するために、参照光路に対物レンズ２１と同じ焦点距離をもつレンズを設置してもよいが、被測定物８、対物レンズ２１、ＣＣＤ１０の位置関係とほぼ同じになるように、参照面、ＣＣＤ、参照光路に設置するレンズの位置関係を調整しなければならず、光学系も複雑化するうえ、調整誤差に伴う形状測定誤差が生じる。図８（ｂ）は、対物レンズ２３とビームスプリッター２４と参照面２５とを一体化したもので、結像光学系であると同時に干渉光学系として作用する。２２は集光レンズとして作用する。参照光路にも物体反射光路にも同じ対物レンズが設置され、同様に作用するため、干渉縞にデフォーカス成分が生じないし、また、対物レンズの位置調整も容易になる。それにより測定光学系の構成および調整を簡素化でき、形状測定誤差を低減することができる。また光学系の拡大倍率を大きくしたときでも形状測定が可能となる。
【００４７】
５．請求項５に係る発明
被測定物が図１に示したような周期振動をする物体の場合、物体表面の傾きにより、物体反射光と参照光との間の光路差が異なってくるため、干渉縞の縞間隔が異なってくる。したがって、測定する物体表面の傾きにより干渉縞の空間キャリヤ周波数は異なってきて測定条件が変わってくる。
上記のとおりの請求項１に係る発明では、測定する物体表面の傾きにより干渉縞の空間キャリヤ周波数に差異が生じないように、被測定物を測定したい傾きで静止させた状態で、参照ミラー１２の傾きを調整して干渉縞に所定の空間キャリヤ周波数がのるようにしてから干渉縞収録を行う。しかしながらその方法によると、測定しようとする物体表面の傾きを変更する度に上記の作業を行う必要があるので作業性に欠ける。上記の問題を解決する請求項５に係る発明を図１０を参照しながら説明する。なお、図３と同じ符号を付した部品は、図３に示す請求項１に係る発明のそれと同じである。
【００４８】
符号２６は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ４と、物体への照射光強度を調整するためのＮＤフィルタ５と、ビームエキスパンダ６と、ビームスプリッタ７と、レンズ９と、ＣＣＤカメラ１０と、ＮＤフィルタ１１と、参照ミラー１２を搭載し、図の矢印まわりに回転するステージである。この回転ステージ２６の回転によって照射光学系の光軸と被測定物８とのなす角度が変化し、物体反射光と参照光との位相差が変化するので、干渉縞の空間キャリヤ周波数が変化する。ただし、被測定面の傾きが変化する方向と、回転ステージ２６の回転方向は同一平面内にある。参照ミラー１２と被測定面のなす角度δと、干渉縞間隔ｇとの関係は、（１２）式のようになる。干渉縞間隔ｇが決まれば空間キャリヤ周波数は決定される。

【００４９】
一方、被測定面の振動の位相が０のとき、照射光学系光軸に対する被測定面の傾きを０度とすると、被測定面の傾きθと被測定面の振動の位相ｐとの関係は、（１３）式のようになる。Ｈは振動ミラーの振動振幅、Ｌは振動ミラーのスパンである。

したがって、はじめに干渉縞間隔ｇを決めておき、（１２）式により参照ミラーと被測定面とのなす角度δを計算して記憶する。振動ミラーの振動位相ｐの変化に合わせて被測定面の傾きθを求め、θ＋δの角度になるように、ステージ２６を回転させる。それにより空間キャリヤ周波数は振動ミラ−面の傾きに一定となり、同じ条件での測定が可能となる。振動位相ｐを入力すると、自動的にステージ２６がθ＋δの角度になるようにプログラムしておけば、効率のよい測定が実現される。
【００５０】
６．請求項６に係る発明
被測定物が図１に示したような周期振動をする物体の場合、物体表面の傾きによって物体反射光と参照光との間の光路差が異なってくるため、干渉縞の縞間隔が異なってくる。したがって、測定する物体表面の傾きにより干渉縞の空間キャリヤ周波数が異なってきて測定条件が変わってくる。図３に示す請求項１に係る発明では、測定する物体表面の傾きにより干渉縞の空間キャリヤ周波数に差異が生じないように、被測定物を測定したい傾きで静止させた状態で、参照ミラーの傾きを調整して干渉縞に所定の空間キャリヤ周波数がのるようにしてから干渉縞収録を行う。しかしこの方法によると、測定しようとする物体表面の傾きを変更する度に上記作業を行う必要があるので作業性に欠ける。この問題を解決する請求項６に係る発明を図１１を参照しながら説明する。図３と同じ符号を付した部品は、図３に示す請求項１に係る発明のそれと同じである。
【００５１】
符号２７を付したものはビームエキスパンダ６のうちのレンズ６ａをその光軸と略垂直な方向に移動させるためのステージである。ただし、被測定面の傾きが変化する方向とステージ２７の移動方向は同一平面内にある。そして、ステージ２７の移動距離ｓと、光学系光軸に対する照射光の角度σとの関係は、（１４）式のようになる。

ｆはレンズ６ａの焦点距離である。したがって、（１２）、（１３）式により求めたθ＋δを（１４）式のσに代入するとステージ移動距離ｓが決まるので、被測定面の振動位相ｐの変化に合わせてステージ移動距離ｓを求めてステージ２７を移動させると、空間キャリヤ周波数は振動ミラー面の傾きに一定となり、同じ条件での測定が可能となる。振動位相ｐを入力すると、自動的にステージ２７がｓだけ移動するようにプログラムしておけば、効率のよい測定が行われる。
【００５２】
７．請求項７に係る発明
演算により求めた物体反射光複素振幅データのうちの振幅データ（振幅像）に基づいて物体の位置を求める場合は、物体反射光の略光軸方向における複数の位置での物体反射光の振幅像を求め、画像における像の合焦状態を検出することによって物体位置を測定する。合焦状態を検出するには、像のテクスチャ（模様）のぼけ具合を定量的に検知する必要がある。一方、レーザ光源は時間的、空間的コヒーレンスが高いため、回折の影響によりテクスチャが鮮明に観測できないときがあり、また測定光学系の構成面の反射光によるノイズ干渉縞（物体形状に依存しない干渉縞）が発生しやすいため、それらは測定精度を劣化させる。請求項７に係る発明では、例えば図１２に示すように、Ｈｅ−Ｎｅレーザ４からの出射光を、拡散板２８を用いて拡散させることにより、被測定物への照射光の空間的コヒーレンスを低下させる。拡散板２８をモータ２９を用いて回転させることにより、拡散板での散乱によるスペックルノイズの影響は除去される。空間コヒーレンスの低下により、回折の影響の少ない鮮明なテクスチャの観測が可能になり、またノイズ干渉縞が低減されるので、位置および形状の測定精度を向上させることができる。なお、フィラメント等の発光面積の大きい光源からの光を色フィルターで単色化して、これを用いることもできる。
【００５３】
８．請求項８に係る発明
干渉縞画像を収録して物体表面形状を測定する場合、干渉縞画像を収録している最中に物体が動くと干渉縞が乱れて正確な測定ができなくなる。そのような場合、物体の動作速度に対して十分短い撮像速度で干渉縞を収録するか、物体への光の照射時間を十分短くすればよいが、撮像手段および光源の性能を比較すると、撮像時間を短くするのに比べ、照射時間を短くする方が有利である。本発明では、光源にルビーレーザのような固体パルスレーザを用いたり、半導体レーザをパルス発光駆動することにより、物体への光の照射時間を短くすることにより、物体が高速で動いているような場合でも高精度測定が可能である。
【００５４】
９．請求項１１に係る発明
請求項１の動的形状及び動的位置の同時測定装置による測定方法では、参照光のみによる画像が測定の度に必要になるが、被測定物が変わっても光学系のセッティングに変化がなければ同じ参照光のみによる画像が複素振幅Ｕ_ｏを求めるための計算に使える。請求項１１に係る発明は、そのような光学系のセッティングが変わらないような場合に、予め、遮光手段を用いて参照光のみの画像を収録してそれを記憶しておき、記憶した参照光のみの画像を複素振幅Ｕ_ｏを求めるための計算に用いることによって、測定のたびに参照光のみの画像を収録する手間を省くことができる。
【００５５】
１０．請求項１３に係る発明
請求項１３に係る発明は、請求項１の動的形状及び動的位置の同時測定装置を用い、周期振動する物体の測定を行う場合における干渉縞の収録タイミングの調整方法に関するものであり、ＣＣＤのトリガー入力による画像収録機能を利用するものである。
図１３（ａ）は周期振動する物体としての振動ミラーを駆動するための入力信号の一例であり、図１３（ｂ）はＣＣＤに入力するトリガー信号の一例である。なお、図１３（ａ），（ｂ）において横軸は時間であり、縦軸は入力電圧である。
符号３０は物体の振動周期に相当する。振動ミラーの振動位相とミラー面の傾きとの関係は、上記（１３）式にて示したものであり、したがって、測定したい振動ミラー面の傾きが決まったら、その振動位相にタイミングを調整してＣＣＤにトリガー信号を入力する。トリガー信号を連続して入力して画像収録し、表示すれば、ＣＣＤにて観測される干渉縞画像はみかけ上静止して見えるから、収録した干渉縞のうちの１枚を用いて請求項１に係る発明を実施し、物体の振動速度に合わせてＣＣＤのシャッター速度を短くすれば高速で振動する物体に対応することができる。
【００５６】
１１．請求項１４に係る発明
請求項１４に係る発明は、請求項８の発明の動的形状及び動的位置の同時測定装置を用い、周期振動する物体の測定を行う場合における被測定物へのパルス光の照射タイミング調整方法に関するものであり、図１３においてＣＣＤに入力したトリガー信号をパルスレーザのドライバに入力するものである。そして、パルスレーザに入力するトリガー信号をＣＣＤの画像収録のトリガー信号として併用すれば、みかけ上静止した干渉縞が観測されるので、物体の振動速度に合わせてパルスレーザの発光パルス幅を短くすれば高速で振動する物体にも対応できる。
【００５７】
１２．請求項１５に係る発明
請求項１５に係る発明は、請求項９の動的形状及び動的位置の同時測定方法によって、物体反射光の複素振幅Ｕ_ｉから求めた物体反射光の振幅データから物体の略照射光学系光軸方向における位置を測定する場合に、物体像の合焦状態を検出するものである。
合焦状態を検出するにはテクスチャー（模様）が必要となり、テクスチャーを観測しながら、その像が最もシャープになるときが合焦点状態であり、ぼけているときが焦点ずれ状態という具合に判定する。合焦点や焦点ずれは、ＣＣＤの微分和等の隣接画素計算によりコントラストのレベルを求めたり、ＣＣＤの単一画素での輝度を抽出したりすることによって定量的に検出される。
この発明では、複数の面から構成された被測定物における所定のある面でのテクスチャーの合焦状態を検出することにより略照射光学系光軸方向における所定のある面の位置を測定し、所定の別の面におけるテクスチャーの合焦状態を検出することにより略照射光学系光軸方向における所定の別の面の位置を測定し、それらの差を求めることにより、略照射光学系光軸方向における面同士の相対的位置を測定する。
【００５８】
１３．請求項１６に係る発明
請求項１６に係る発明は、被測定面が光学的粗面である場合に、被測定面の粗れの像をテクスチャーとする。図１４に、図１の振動ミラーを被測定物としたときの振幅像における面粗れの像の例を示すが、図１４における３１が被測定ミラー面、３２がベース面で、ベース面に符号３３で示す無数の線が粗れテクスチャーを表しており、例えば符号３３の線をテクスチャーとして面の位置測定を実施すればよい。
【００５９】
１４．請求項１７に係る発明
請求項１７に係る発明は、ミラーや光学ガラス等の光学的鏡面をもつ物体では、面の粗れは光の回折限界以下のサイズとなって光学的に観測することができず、そのためテクスチャーが観測できなくなり、テクスチャーがないため合焦状態を検知できないという不具合を生じる。被測定面が光学的鏡面である場合に、予め被測定面に印したマークの像をテクスチャーとする。
図１５に、図１の振動ミラーを被測定物としたときの振幅像を示す（ただし、部品の符号は、図１４と同じ部品のものは同じ符号を用いていている）。ベース面３２に３４のマークを印した様子、ミラー面３１に符号３５のマークの様子を示してあり、符号３４がベース面の略照射光学系光軸方向における位置を測定するためのテクスチャーになり、符号３５が振動ミラー面の略照射光学系光軸方向における位置を測定するためのテクスチャーになる。
【００６０】
１５．請求項１８に係る発明
請求項１８に係る発明は、ミラーや光学ガラス等の光学的鏡面をもつ物体では、面の粗れは光の回折限界以下のサイズとなって光学的に観測することはできず、テクスチャーが観測できなくなり、テクスチャーがないため合焦状態を検知できないという不具合を生じる。被測定面が光学的鏡面である場合に、被測定面のエッジ像をテクスチャーとする。図１６に、図１の振動ミラーを被測定物としたときの振幅像を示す（ただし、部品の符号は、図１４と同じ部品のものは同じ符号を用いている）。符号３６がベース面３２におけるエッジ、３７がミラー面３１におけるエッジの様子を示す。符号３６がベース面の略照射光学系光軸方向における位置を測定するためのテクスチャーになり、符号３７が振動ミラー面の略照射光学系光軸方向における位置を測定するためのテクスチャーになる。
【００６１】
１６．請求項１９に係る発明
請求項１５の方法では、テクスチャー像があるすべての領域で、面の略照射光学系光軸方向における位置の測定値が得られる。被測定面が鏡面である場合、位相データを用いた表面形状の測定値が得られるが、位置の測定値と形状の測定値では分解能が異なるため、両者を関連づけることは困難である（例えば、任意のある部分とある部分の高さの差が、形状測定値をみると数ｎｍしかないのに、位置測定値をみると数μｍもあるという現象が生じる）ので、請求項１９に係る発明は、テクスチャー像がある領域の所定部分を基準と設定しておき、位置測定ではその部分での測定値を被測定面の略照射光学系光軸方向における位置測定値とするものである。
例えば図１６のエッジ３６における位置３８をベース面の基準位置とし、またエッジ３７における位置３９をミラー面の基準位置とし、符号３８，３９における位置測定値を、それぞれベース面、ミラー面の位置測定値とする。
【００６２】
１７．請求項２０に係る発明
請求項１５の方法では、テクスチャー像があるすべての領域で、面の略照射光学系光軸方向における位置の測定値が得られる。被測定面が鏡面である場合、位相データを用いた表面形状の測定値が得られるが、位置の測定値と形状の測定値では分解能が異なるため、両者を関連づけることは困難である（例えば、任意のある領域とある領域の高さの差が、形状測定値をみると数ｎｍしかないのに、位置測定値をみると数μｍもあるという現象が生じる）ので、請求項２０に係る発明は、テクスチャー像における所定領域内での位置測定値の平均値を計算して、それを被測定面の略照射光学系項軸方向における位置測定値とするものである。
例えば図１６のエッジ３６を構成する画素すべてにおける位置測定値を求め、その平均値をベース面の位置測定値とし、またエッジ３７を構成する画素すべてにおける位置測定値を求めその平均値をミラー面の位置測定値とする。
【００６３】
【発明の効果】
この発明の効果は、各請求項毎に整理すれば次のとおりである。
１．請求項１に係る発明
物体反射光と参照光との間で発生した干渉縞画像と参照光のみによる画像とから前記撮像手段位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_ｏを求め、前記撮像手段位置での物体反射光の複素振幅のフレネル回折を計算することにより物体反射光の光軸方向における複数の位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_ｉ（ｉ：整数）を求め、前記Ｕ_ｉから求めた物体反射光の位相データから物体表面形状を求め、前記Ｕ_ｉから求めた物体反射光の振幅データから物体の略照射光学系光軸方向における位置を求めることにより、動いている最中の物体の表面形状及び面と略垂直な方向における位置を同時に測定する。それによりＭＥＭＳ等の微細構造の動的物体において、高い面内空間分解能で、物体が動いている最中のナノメータオーダーの表面形状と、略光学系光軸方向における物体の位置を同時に取得可能な測定装置を提供することができる。
【００６４】
２．請求項２に係る発明
被測定物から撮像手段までの光路中に遮光手段を設置し、物体反射光を遮ることにより、ノイズのない参照光のみの画像を取得する。それによりノイズの影響を受けない高精度の測定装置を提供することができる。
【００６５】
３．請求項３に係る発明
遮光手段を、光学系光軸とほぼ垂直な方向に進退可能なステージに搭載し、ステージを駆動させることにより遮光手段の前記光路中への設置を自動化することによって請求項１の装置の操作性を向上させることができる。
【００６６】
４．請求項４に係る発明
物体像を光学的に拡大して撮像手段位置で結像させる場合、物体像を拡大して撮像手段位置で結像するための光学系と干渉光学系とを一体化することにより、物体光を球面波に変換するためのレンズと参照光を球面波にするためのレンズを同一にすることにより、測定光学系の構成および調整を簡素化し、測定誤差を低減することができる。
【００６７】
５．請求項５に係る発明の効果
被測定物が周期振動する物体の場合、前記光源と照射光学系と干渉光学系と撮像手段と結像光学系を一体にしたユニットの傾きを変化させる回転ステージを構成に加え、その回転量を指定することにより干渉縞の縞間隔を設定し、それにより物体表面の傾きに一定条件の安定した測定を効率よく実施することができる。
【００６８】
６．請求項６に係る発明の効果
被測定物が周期振動する物体の場合、前記照射光学系の光軸と前記結像光学系の光軸を相対的にシフトさせる直動ステージを構成に加え、その移動にて被測定面への照射光が被測定面に入射する角度を変化させることにより干渉縞の縞間隔を設定し、それにより物体表面の傾きに一定条件の安定した測定を効率よく実施することができる。
【００６９】
７．請求項７に係る発明の効果
光源に拡散光源を用いることにより、その空間的コヒーレンスを下げ、それにより回折の影響の少ない鮮明なテクスチャを観測可能とし、またノイズ干渉縞を低減することにより、測定精度を向上させることができる。
【００７０】
８．請求項８に係る発明の効果
光源にパルス光源を使用し、物体への光の照射時間を短くすることにより、物体が高速で動いている場合でも、高精度な測定が可能である。
【００７１】
９．請求項１１に係る発明
請求項１の装置においては参照光のみによる画像は測定のたびに必要となるが、被測定物が変わっても光学系のセッティングに変化がなければ同じ参照光のみによる画像が複素振幅Ｕ_ｏを求めるための計算に使える。この発明は、そのような光学系のセッティングが変わらないような場合に、予め、遮光手段を用いて参照光のみの画像を収録してそれを記憶しておき、記憶した参照光のみの画像を複素振幅Ｕ_ｏを求めるための計算に用いることによって、測定のたびに参照光のみの画像を収録する手間を省くことができ、測定の操作性、作業性を向上させることができる。
【００７２】
１０．請求項１２に係る発明
請求項５、請求項６の装置により周期振動する物体を測定する場合、物体光と参照光との間で発生する干渉縞の縞間隔を、請求項５のユニットの光学系光軸に対する直交２方向におけるチルトを変化させる回転ステージを用いたり、請求項６の照射光学系と結像光学系の光軸を相対的にシフトさせる直動ステージを用いる等して、任意に設定できるようにしている。収録する干渉縞の間隔が異なると、測定条件がかわり、それにより測定精度が変わってくるため、縞間隔の設定の目的は、被測定面の傾きに表面形状および略光学系光軸方向における位置を同じ測定条件で求めることにある。したがって、物体が振動している最中に、測定したい被測定面の傾き状態に合わせて回転ステージの回転量や直動ステージの移動量を設定する必要がある。しかし、この発明は、被測定物の振動位相データをもとに被測定物の傾きを求め、その傾きから回転ステージの回転量や直動ステージの移動量を設定することにより、物体の傾きに測定条件を一定にして、測定精度を安定させることができる。
【００７３】
１１．請求項１３に係る発明
被測定物が周期振動する場合、物体が評価したい傾きとなった状態にて干渉縞を収録する必要があり、その場合、干渉縞画像の収録タイミングを設定する必要があるが、この発明によれば、上記設定のために被測定物の振動の位相データを用いることにより、物体が所定の傾きとなった状態における干渉縞画像の収録を正確に実施するための方法を実現することができる。
【００７４】
１２．請求項１４に係る発明
被測定物が周期振動する場合、物体が評価したい傾きとなった状態にて干渉縞を収録する必要があり、その場合、光源にパルス光源を用いる場合は、光源のパルス発光のタイミングを設定する必要がある。この発明は、上記設定のために被測定物の振動の位相データを用いることにより、物体が所定の傾きとなった状態における光源のパルス発光を正確に実施するための方法を実現することができる。
【００７５】
１３．請求項１５に係る発明
請求項９の方法においては、前記Ｕ_ｉから求めた物体反射光の振幅データから物体の略照射光学系光軸方向における位置を測定する場合、物体像の合焦状態を検出する。そして、上記合焦状態を検出するにはテクスチャー（模様）が必要となり、テクスチャーを観測しながら、その像が最もシャープになるときが合焦点状態であり、ぼけているときが焦点ずれ状態であるという具合に判定する。合焦点や焦点ずれは、ＣＣＤの微分和等の隣接画素計算によりコントラストのレベルを求め、あるいはＣＣＤの単一画素での輝度を抽出することによって定量的に検出される。この発明は、複数の面から構成された被測定物における所定のある面でのテクスチャーの合焦状態を検出することにより、略照射光学系光軸方向における所定のある面の位置を測定し、所定の別の面におけるテクスチャーの合焦状態を検出することにより略照射光学系光軸方向における所定の別の面の位置を測定し、それらの差を求めることにより、略照射光学系光軸方向における面同士の相対的位置を測定することにより、請求項９の方法を実現することができる。
【００７６】
１４．請求項１６に係る発明
被測定面が光学的粗面である場合に、被測定面の粗れの像をテクスチャーとすることにより、請求項９の方法を実現することができる。
【００７７】
１５．請求項１７に係る発明
ミラーや光学ガラス等の光学的鏡面をもつ物体では、面の粗れは光の回折限界以下のサイズとなり、光学的に観測することはできず、テクスチャーが観測できなくなり、テクスチャーがないため合焦状態を検知できないという不具合を生じる。被測定面が光学的鏡面である場合に、予め被測定面に印したマークの像をテクスチャーとすることにより、請求項９の方法を実現することができる。
【００７８】
１６．請求項１８に係る発明
ミラーや光学ガラス等の光学的鏡面をもつ物体では、面の粗れは光の回折限界以下のサイズとなり、光学的に観測することはできずに、テクスチャーが観測できなくなり、テクスチャーがないため合焦状態を検知できないという不具合を生じる。被測定面が光学的鏡面である場合に、被測定面のエッジ像をテクスチャーとすることにより、請求項９の方法を実現することができる。
【００７９】
１７．請求項１９に係る発明
請求項１５の方法は、テクスチャー像があるすべての領域で、面の略照射光学系光軸方向における位置の測定値が得られる。被測定面が鏡面である場合、位相データを用いた表面形状の測定値が得られるが、位置の測定値と形状の測定値では分解能が異なるため、両者を関連づけることは困難である（例えば、任意のある部分とある部分の高さの差が、形状測定値をみると数ｎｍしかないのに、位置測定値をみると数μｍもあるという現象が生じる）。そのため、この発明は、テクスチャー像がある領域の所定部分を基準と設定しておき、位置測定ではその部分での測定値を被測定面の略照射光学系光軸方向における位置測定値とすることにより、請求項９の方法を実現することができる。
【００８０】
１８．請求項２０に係る発明
請求項１５の方法では、テクスチャー像があるすべての領域で、面の略照射光学系光軸方向における位置の測定値が得られる。被測定面が鏡面である場合、位相データを用いた表面形状の測定値が得られるが、位置の測定値と形状の測定値では分解能が異なるため、両者を関連づけることは困難である（例えば、任意のある領域とある領域の高さの差が、形状測定値をみると数ｎｍしかないのに、位置測定値をみると数μｍもあるという現象が生じる）。そのため、この発明では、テクスチャー像における所定領域内での位置測定値の平均値を計算して、それを被測定面の略照射光学系項軸方向における位置測定値とすることにより、請求項９の方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、ベース面に振動ミラーがとり付けられたような構成のＭＥＭＳの概略を説明する図である。
【図２】は、ミラーが複数個配置され、各々独立して駆動するＭＥＭＳの概略を説明する図である。
【図３】は、本発明による測定装置の概略を説明する図である。
【図４】は、焦点ずれを与える数値演算モデルと、検出されるコントラストと位置測定値との関係を説明するための図である。
【図５】は、本発明による測定方法の測定手順を説明するフロー図である。
【図６】は、図３の測定装置の構成に加えて遮光板を設けた測定装置の概略を説明する図である。
【図７】は、図５の測定装置の構成に加えて遮光板を光学系光軸と略垂直な方向に進退させるためのステージを設けた測定装置の概略を説明するための図である。
【図８】は、結像光学系と干渉光学系を一体化した測定装置の概略を説明する図である。
【図９】は、デフォーカス成分が生じた干渉縞の様子の概略を説明する図である。
【図１０】は、図３の測定装置の構成に加えて、光源と照射光学系と干渉光学系と撮像手段と結像光学系を一体にしたユニットの傾きを変化させる回転ステージを設けた測定装置の概略を説明する図である。
【図１１】は、図３の測定装置の構成に加えて、照射光学系の光軸と結像光学系の光軸を相対的にシフトさせるステージを設けた測定装置の概略を説明する図である。
【図１２】は、レーザからの光を拡散させるための構成例の概略を説明する図である。
【図１３】は、被測定振動ミラーの振動とＣＣＤの撮像、あるいはパルス光源の発光のタイミングを説明するための図である。
【図１４】は、被測定物の振幅像における面粗れテクスチャーの様子の概略を説明する図である。
【図１５】は、被測定物の振幅像における被測定面に印したマークテクスチャーの様子の概略を説明するための図である。
【図１６】は、被測定物の振幅像におけるエッジテクスチャーの様子の概略を説明するための図である。
【符号の説明】
１：振動ミラー
２：基準面
３：ミラー面
４：光源
５：ＮＤフィルタ
６：ビームエキスパンダ
６ａ：レンズ
７：ビームスプリッター
８：被測定物
９：レンズ
１０：ＣＣＤカメラ
１１：ＮＤフィルタ
１２：参照ミラー
１３：ホルダー
１４：フレームグラバ
１５：コンピュータ
１６：被測定物
１９：遮光板
２０：ステージ
２１：対物レンズ
２２：集光レンズ
２３：対物レンズ
２４：ビームスプリッター
２５：参照面
２６：回転ステージ
２７：ステージ
２８：拡散板
２９：モータ
３１：被測定ミラー面
３２：ベース面
３４，３５：マーク
３６：ベース面３２におけるエッジ
３７：ミラー面３１におけるエッジ
３８：ベース面の基準位置
３９：ミラー面の基準位置[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method and apparatus for evaluating the processing accuracy and performance of components such as MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) having a fine structure and involving movement. Simultaneous measurement of nano-order surface shape while moving object and the position of the object in the engineering system axial direction. It can be used.
[0002]
[Prior art]
MEMS is a micron-order device with a movement such as translational displacement or tilt. It is an optical equalizer (cross-connector) in wavelength-division multiplexed optical communication, a spatial light modulator in projectors and displays, or an optical deflector. It is used in many applications such as actuators. In the above-mentioned applications, the MEMS plays a role of an optical mirror, and controls the angle and the position of the reflected light by the translational displacement and inclination of the mirror surface. In this case, the surface shape of the mirror and the surface shape during the movement are required to have high shape accuracy on the order of nanometers.
In the MEMS in which the oscillating mirror 1 is mounted on the reference surface 2 as shown in FIG. 1A, the absolute position of the mirror surface with respect to the reference surface is shifted from a predetermined position as the mirror is driven (see FIG. (corresponding to s in a)), so that the light reflected by the mirror does not reach the predetermined position, which affects the performance of the component. Therefore, it is important to quantitatively know the position of the mirror surface with respect to the reference surface (the position of the surface substantially in the direction of the optical axis of the irradiation optical system). Further, when the MEMS is a mirror array in which a plurality of mirrors are arranged (reference numeral 3 in FIG. 2 represents each mirror surface) and each mirror moves independently, a direction substantially perpendicular to the mirror surface ( The relative position of each mirror surface (substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system) may change in accordance with the driving of the mirror, and the light reflected by each mirror will not reach each predetermined position, and the Knowing the relative position of each mirror surface is also important because it affects performance.
[0003]
As a method for measuring the surface shape of an object to be measured on the order of nanometers and measuring the position thereof, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-5619 discloses "Interference measuring method, apparatus and object measured by the method or apparatus" (known examples). There is 1). In this method, a lens or a group of lenses (group lens) composed of a plurality of lenses is used as an object to be measured, and interference fringes are generated when the object optical path length and the reference optical path length of the low coherence light source substantially match. By changing the optical path length of the reference light while moving the reference mirror and detecting the amount of movement of the reference mirror when interference fringes occur, the distance between the lens surfaces of the object to be measured, The position of the surface in the direction of the system optical axis is measured. According to this method, it is possible to measure at a resolution substantially equal to the coherence length of the light source, so that a light source having a short coherence length can be used for high-resolution measurement. Since the measurement data is recorded in a time series while being mechanically moved, there is a problem that measurement time is required. Although it is conceivable to increase the speed of the operation, it is difficult to measure the shape of the moving object when the object moves at high speed because of time-series data recording.
[0004]
As a known technique capable of measuring the shape of a moving object, for example, Mitsuo Takeda “Fourier transform and optical applied measurement”, Optical Technology Contact, Vol. 36, no. 2, (1998), and P72-80 (known example 2). In this method, the interference fringe generated between the object reflected light and the reference light is spatially modulated (interference fringe interval is changed), and the object shape is nanometer-order based on a single recorded interference fringe image. Can be measured. Since it is sufficient to record a single image, there is no need to perform time-series measurement, and therefore, even if the object is moving, the surface shape during the movement can be measured. However, this method can obtain the shape of the object relative to the reference plane, but cannot measure the position of the object surface in the direction of the optical axis of the optical system. Can not.
[0005]
Another known technique capable of measuring the shape of a moving object is U.S. Pat. No. 6,262,818B, entitled "A method for the numerical reconstruction of digital holograms witch saturable simplistics and other examples of similar techniques." In this measurement method, a single interference fringe image is recorded by applying the principle of off-axis digital holography, and an amplitude image and a phase image of an object are obtained therefrom. Even in this method, a single image can be recorded, so that the dynamic shape can be measured even if the object is moving. However, in the off-axis digital holography employed in this method, when an object image is reproduced, three images of a zero-order light, a real image, and a virtual image appear in the reproduced image, so that the CCD pixels can be effectively used. In addition, the in-plane spatial resolution is low, and further, in order to separate the three images, it is necessary to adjust parameters for image reproduction such as the spatial frequency of interference fringes, object distance, and reproduction distance.
Also, in this method, the shape of the object relative to the reference surface can be obtained, as in the method of the above-mentioned known example 2, but the position of the object surface in the optical axis direction of the optical system cannot be measured. It cannot be applied to such MEMS position measurement.
[0006]
[Reference 1] Mitsuo Takeda, "Fourier Transform and Optical Application Measurement", Optical Technology Contact, Vol. 36, no. 2, (1998), P72-80
[Patent Document 1] JP-A-2002-5569
[Patent Document 2] US Pat. No. 6,262,818B
[0007]
[Problem to be solved]
[Problem 1] (corresponding to claim 1)
An object 1 of the present invention is to extract only a real image of a dynamic object having a fine structure such as a MEMS, and to obtain a surface shape of the order of nanometers while the object is moving and an object substantially in the optical axis direction of the optical system. Is to be able to simultaneously obtain the position of
[0008]
[Problem 2] (corresponding to claim 2)
When the dynamic shape and the dynamic position are measured by the simultaneous measuring device, an image of only the reference light is required. In that case, it is sufficient to record the image without the object to be measured installed, but depending on the installation environment of the measuring device, the reflected light from the structure around the device may enter the imaging means and become noise to improve the measurement accuracy. May lower.
The second object of the present invention is to install a light shielding unit in an optical path from an object to be measured to an imaging unit and block an object reflected light to obtain an image of only a reference light without noise, thereby reducing an influence of noise. An object of the present invention is to provide a high-precision measuring device that does not receive the measurement.
[0009]
[Problem 3] (corresponding to claim 3)
Regarding the installation of the light shielding means in claim 2, the light shielding means may be manually installed in the optical path from the object to be measured to the imaging means, but the work of installing the light shielding means every time the object to be measured changes. In this case, manually performing this operation lacks workability and operability.
A third object of the present invention is to mount a light shielding unit on a stage that can move forward and backward in a direction substantially perpendicular to the optical axis of an optical system, and to automate the installation of the light shielding unit in the optical path by driving the stage. It is an object of the present invention to improve the operability of the apparatus for simultaneously measuring a dynamic shape and a dynamic position according to the first aspect.
[0010]
[Problem 4] (corresponding to claim 4)
When an object image is optically magnified to form an image at the position of the imaging means, it is effective to use a microscope objective lens or the like to convert the reflected light of the object into a spherical wave. In this case, if the reference light is a plane wave, an optical path difference occurs between the reference light and the object reflected light due to the difference in the curvature of the wavefront, and the generated interference fringe has a defocus component. In order to remove the defocus component, the reference light should be a spherical wave having the same curvature as the spherical wave of the object reflected light.However, if lenses are installed in each of the object light path and the reference light path, the optical system will be complicated and adjustment will be required. Is also difficult and measurement errors are likely to occur.
A fourth object of the present invention is to provide a lens for converting object light into a spherical wave and a reference light by integrating an optical system and an interference optical system for enlarging an object image and forming an image at the position of an imaging means. The objective of the present invention is to use the same lens for converting the light into a spherical wave, thereby simplifying the configuration and adjustment of the measurement optical system and reducing the measurement error.
[0011]
[Problem 5] (corresponding to claim 5)
When the object to be measured is a periodically oscillating object, the optical path difference between the object reflected light and the reference light differs due to the inclination of the object surface during oscillation. The intervals will be different.
When spatial modulation is applied to the interference fringes, it is necessary to set the fringe interval of the interference fringes to a predetermined amount. Is reduced. In order to keep the spatial carrier frequency of the interference fringe constant, adjust the angle between the object surface and the reference mirror while the object is stationary, and then record the interference fringes. However, if the work is performed every time the measurement is performed, workability and operability are poor, and the measurement efficiency is reduced.
The fifth object of the present invention is to provide a rotary stage for changing the inclination of a unit in which the light source, the irradiation optical system, the interference optical system, the imaging means, and the imaging optical system are integrated, and to specify the amount of rotation. An object of the present invention is to set a fringe interval of interference fringes so that stable measurement under a certain condition can be efficiently performed regardless of the inclination of the object surface.
[0012]
[Problem 6] (corresponding to claim 6)
When the object to be measured is a periodically oscillating object, the optical path difference between the object reflected light and the reference light differs due to the inclination of the object surface during oscillation. The intervals will be different.
When spatial modulation is applied to the interference fringes, it is necessary to set the fringe interval of the interference fringes to a predetermined amount. Is reduced. It is also possible to adjust the angle between the object surface and the reference mirror while the object is stationary so that the spatial carrier frequency of the interference fringes is constant, and then add the procedure of recording the interference fringes However, if the work is performed every time the measurement is performed, workability and operability are poor, and the measurement efficiency is reduced.
A sixth object of the present invention is to provide a linear motion stage which relatively shifts the optical axis of the irradiation optical system and the optical axis of the imaging optical system, and the movement of the stage causes irradiation light on the surface to be measured. It is an object of the present invention to set the fringe interval of interference fringes by changing the angle of incidence on the measurement surface, thereby enabling stable measurement under constant conditions to be performed efficiently regardless of the inclination of the object surface.
[0013]
[Problem 7] (corresponding to claim 7)
When the position of the object is obtained based on the amplitude data (amplitude image) of the complex amplitude data of the object reflected light obtained by the calculation, the amplitude images of the object reflected light at a plurality of positions in the optical axis direction of the object reflected light are obtained. Then, the object position is measured by detecting the in-focus state of the image in the image. In order to detect the in-focus state, it is necessary to quantitatively detect the degree of blur of the texture (pattern) of the image. On the other hand, since the laser light source has high temporal and spatial coherence, the texture may not be clearly observed due to the influence of diffraction, and noise interference fringes (interference that does not depend on the shape of the object) due to reflected light from the constituent surface of the measurement optical system may occur. Since fringes tend to occur, they degrade the measurement accuracy.
An object 7 of the present invention is to reduce the spatial coherence by using a diffused light source as a light source, thereby enabling observation of a clear texture with little influence of diffraction, and reducing noise interference fringes. It is to improve.
[0014]
[Problem 8] (corresponding to claim 8)
When measuring an object surface shape by recording an interference fringe image, if the object moves while recording the interference fringe image, the interference fringes are disturbed and accurate measurement cannot be performed. In such a case, the interference fringes may be recorded at an imaging speed sufficiently short with respect to the operation speed of the object, or the irradiation time of light on the object may be sufficiently short.However, when comparing the performance and the price of the imaging means and the light source, It is more advantageous to shorten the irradiation time than to shorten the imaging time.
An object 8 of the present invention is to use a pulse light source as a light source and shorten the irradiation time of light on an object so that measurement can be performed with high accuracy even when the object is moving at high speed. .
[0015]
[Problem 9] (corresponding to claim 9)
The task 9 is to provide a method for realizing the apparatus for simultaneously measuring a dynamic shape and a dynamic position according to claim 1.
[0016]
[Problem 10] (corresponding to claim 10)
It is an object of the present invention to provide a method for acquiring an image using only a reference light in the apparatus for simultaneously measuring a dynamic shape and a dynamic position.
[0017]
[Problem 11] (corresponding to claim 11)
In the simultaneous measurement apparatus for dynamic shape and dynamic position according to claim 1, an image using only the reference light is required for each measurement, but the same reference is made if the setting of the optical system does not change even if the object to be measured changes. The image due to light alone has a complex amplitude U_oCan be used to calculate
An object 11 of the present invention is to record an image of only the reference light using a light shielding unit and store the image in advance when the setting of the optical system does not change. Image of complex amplitude U_oThe purpose of the present invention is to improve the operability and workability of the measurement by using the calculation for obtaining the value of 省いていていて.
[0018]
[Problem 12] (corresponding to claim 12)
In the case where an object that periodically vibrates is measured by the dynamic shape and dynamic position simultaneous measuring device according to

claim

5 or 6, the fringe interval of the interference fringe generated between the object light and the reference light is determined. 7. A rotary stage for changing the tilt in two directions orthogonal to the optical axis of the optical system of the unit 5, or a linear motion stage for relatively shifting the optical axes of the irradiation optical system and the imaging optical system according to claim 6. And can be set arbitrarily. If the intervals of the interference fringes to be recorded are different, the measurement conditions will change, and the measurement accuracy will change accordingly. In the same measurement condition. Therefore, while the object is vibrating, it is necessary to set the amount of rotation of the rotary stage and the amount of movement of the translation stage in accordance with the tilt state of the surface to be measured to be measured.
An object 12 of the present invention is to obtain the inclination of an object to be measured based on the vibration phase data of the object to be measured, and to set the amount of rotation of a rotary stage and the amount of movement of a linear motion stage based on the inclination, thereby obtaining the inclination of the object. In other words, the measurement conditions are kept constant, and the measurement accuracy is stabilized.
[0019]
[Problem 13] (corresponding to claim 13)
When the object to be measured vibrates periodically, it is necessary to record interference fringes in a state where the object has an inclination to be evaluated. In this case, it is necessary to set the recording timing of the interference fringe image.
A thirteenth problem of the present invention is to accurately perform recording of an interference fringe image in a state where an object is at a predetermined inclination by using phase data of vibration of an object to be measured in order to set recording timing of an interference fringe image. Is to provide a way to
[0020]
[Problem 14] (corresponding to claim 14)
When the object to be measured vibrates periodically, it is necessary to record interference fringes in a state where the object has an inclination to be evaluated. In this case, when a pulse light source is used as the light source, it is necessary to set the timing of the pulse light emission of the light source.
An object 14 of the present invention is to accurately execute pulse light emission of a light source in a state where an object has a predetermined inclination by using phase data of vibration of an object to be measured in order to set pulse emission timing of the light source. Is to provide a way for
[0021]
[Problem 15] (corresponding to claim 15)
According to the dynamic shape and dynamic position simultaneous measuring method of claim 9, the complex amplitude (U_iWhen the position of the object in the direction of the optical axis of the irradiation optical system is measured from the amplitude data of the reflected light of the object obtained in the step (1), the focus state of the object image is detected. To detect the in-focus state, a texture (pattern) is required. While observing the texture, it is determined that the image becomes sharpest when the image becomes sharpest and out of focus when the image is blurred. The in-focus or out-of-focus is quantitatively detected by calculating the level of the contrast by calculating adjacent pixels such as the differential sum of the CCD, or extracting the luminance of a single pixel of the CCD.
An object 15 of the present invention is to measure a position of a predetermined surface in a direction substantially along an optical axis of an irradiation optical system by detecting an in-focus state of texture on a predetermined surface of an object to be measured composed of a plurality of surfaces. Then, by detecting the in-focus state of the texture on another predetermined surface, measuring the position of another predetermined surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system, and calculating the difference between them, the substantially irradiation optical system light is detected. An object of the present invention is to measure a relative position between surfaces in the axial direction, thereby realizing the simultaneous measuring method according to the ninth aspect.
[0022]
[Problem 16] (corresponding to claim 16)
The problem 16 is to realize the simultaneous measurement method according to claim 9 by using a rough image of the measured surface as a texture when the measured surface is an optically rough surface.
[0023]
[Problem 17] (corresponding to claim 17)
In the case of an object having an optical mirror surface such as a mirror or optical glass, the roughness of the surface becomes smaller than the diffraction limit of light, so that the object cannot be optically observed and the texture cannot be observed. Since there is no texture, it is impossible to detect a focused state.
An object 17 of the present invention is to realize a simultaneous measurement method according to claim 9 by using an image of a mark previously marked on a surface to be measured as a texture when the surface to be measured is an optical mirror surface.
[0024]
[Problem 18] (corresponding to claim 18)
In the case of an object with an optical mirror such as a mirror or optical glass, the roughness of the surface becomes smaller than the diffraction limit of light, and it is not possible to observe optically, and texture cannot be observed, and therefore, there is no texture As a result, a problem occurs that the in-focus state cannot be detected.
An object 18 of the present invention is to realize the simultaneous measurement method of claim 9 by using an edge image of the measured surface as a texture when the measured surface is an optical mirror surface.
[0025]
[Problem 19] (corresponding to claim 19)
According to the measurement method of the fifteenth aspect, a measured value of the position of the surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system can be obtained in all regions where the texture image exists. When the surface to be measured is a mirror surface, a measured value of the surface shape using the phase data is obtained, but it is difficult to associate the measured value of the position and the measured value of the shape because the resolution is different (for example, The difference between the height of an arbitrary part and the height of a certain part is only several nm when looking at the shape measurement value, but it is several μm when looking at the position measurement value.)
An object 19 of the present invention is to set a predetermined part of a region where a texture image is present as a reference, and to use a measured value at that part as a position measured value of the measured surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system in position measurement. Thereby, the simultaneous measurement method of claim 9 is realized.
[0026]
[Problem 20] (corresponding to claim 20)
According to the measurement method of the fifteenth aspect, a measured value of the position of the surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system can be obtained in all regions where the texture image exists. When the surface to be measured is a mirror surface, a measured value of the surface shape using the phase data is obtained, but it is difficult to associate the measured value of the position and the measured value of the shape because the resolution is different (for example, The difference between the height of an arbitrary region and the height of a certain region is only a few nm when looking at the shape measurement value, but is several μm when looking at the position measurement value.)
An object 20 of the present invention is to calculate an average value of position measurement values in a predetermined area in a texture image, and use the average value as a position measurement value in a substantially axis direction of the irradiation optical system of the measured surface. 9 is to implement the simultaneous measurement method.
[0027]
Configuration and Function of the Invention
Next, the configuration and operation of the present invention will be sequentially described for each of the main claims with reference to the drawings.
1. Invention according to claim 1
FIG. 3 shows an example of the apparatus configuration according to the present invention, and FIG. 3 illustrates the principle and calculation formula of the measurement method.
3 is a He-Ne laser as a light source, 5 is an ND filter for adjusting the irradiation light intensity to an object, and 6 is a beam expander for expanding the light from the laser. The parallel light that has been enlarged by the beam expander 6 and has passed through the beam splitter 7 is applied to the object 8 to be measured. The light reflected by the DUT 8 is reflected by the beam splitter 7 and reaches the CCD camera 10 via the lens 9. The relative positions of the object 8, the lens 9, and the CCD camera 10 are adjusted so that the object 8 and the CCD camera 10 have a substantially conjugate relationship (imaging relationship) with respect to the lens 9. On the other hand, light expanded by the beam expander 6 and reflected by the beam splitter 7 passes through the ND filter 11 and is reflected by the reference mirror 12. The reference mirror is held by a holder 13 having a mechanism for changing the inclination of the mirror surface with respect to the optical axis of light incident on the reference mirror, and the inclination of the mirror surface can be adjusted.
[0028]
The light reflected by the reference mirror 12 passes through the ND filter 11 in a direction opposite to the direction of the light, then passes through the beam splitter 7, and reaches the CCD camera 10 via the lens 9. The light reflected by the object 8 becomes object light, and the light reflected by the reference mirror 12 becomes reference light. The two interfere with each other to generate interference fringes, and the CCD camera 10 images the interference fringes. The captured interference fringe image is transferred to the computer 15 via the frame grabber 14 and recorded in the computer memory. The lengths of the reference light path and the object light path after being split by the beam splitter 7 are set to be equal to or less than the coherence length of the He-Ne laser of the light source. The ND filter 5 adjusts the intensity of light emitted to the object to be measured so that the reflected light from the object to be measured has an intensity suitable for imaging with a CCD camera. The reference light intensity is adjusted by the ND filter 11 so that the contrast of interference fringes generated by the interference between the reference light and the reference light increases. The fringe interval of the interference fringes is adjusted by changing the inclination of the reference mirror surface by the holder 13.
[0029]
The interference fringe generated by the interference between the object light and the reference light is expressed by the following equation (1). In the equation (1), x and y represent coordinates on the imaging surface of the CCD, I (x, y) is the interference fringe intensity distribution, a (x, y) is the interference fringe background intensity distribution, and b ( (x, y) represents the amplitude distribution of the change in brightness of the interference fringes, and φ (x, y) represents the phase distribution of the reflected light of the object corresponding to the shape of the measured object.

In equation (1), terms a (x, y) and b (x, y) unnecessary for measuring the surface shape of the object are removed, and the phase φ (x, y) of the object reflected light is extracted. By converting to a shape, the surface shape of the object is determined.
According to the present invention, a single interference fringe image is obtained without measuring a plurality of interference fringe images in time series in order to measure the surface shape of a moving object. For that purpose, for example, the literature: Mitsuo Takeda, "Fourier Transform and Optical Application Measurement," Opto-Technical Contact, Vol. 36, no. 2, (1998). In the Fourier transform method, by causing the reference light and the object reflected light to interfere with each other in a state where the reference light and the object reflected light are inclined, the spatial carrier frequency f as shown in Expression (2) is obtained._X0And f_Y0Is obtained.

When the Fourier transform of the interference fringe image of (2) is performed on the variables x and y, a two-dimensional spatial frequency spectrum as shown in Expression (3) is obtained. Where * is the complex conjugate, A (f_X,f_Y) Represents the Fourier spectrum of a (x, y) and C (f_X,f_Y) Represents the Fourier spectrum of equation (4), which is the complex amplitude of the change in brightness of the interference fringes.

Spatial carrier frequency f_X0And f_Y0If the background intensity distribution a (x, y) and the complex amplitude distribution c (x, y) of the interference fringe change are gentle, the spectra are separated by the carrier frequency. )), The spatial carrier frequency f is extracted by extracting only the second term component and moving to the position of the origin in the Fourier spectrum coordinates._X0And f_Y0And remove C (f_X, F_Y) Can be obtained. And the spectrum C (f_X, F_YThe complex amplitude of the expression (4) is obtained by the inverse Fourier transform of the expression (4). A series of processes of obtaining the phase φ (x, y) by taking the arc tangent of the ratio of the imaginary part to the real part of the obtained complex amplitude is the Fourier transform method. As described above, the phase distribution of the object reflected light is obtained by the Fourier transform method. In the present invention, in addition, the amplitude distribution of the object reflected light is obtained.
Complex amplitude U of reference light_R(X, y), the complex amplitude U of the object light_oLet (x, y) be as shown in equations (5) and (6), respectively (A represents the amplitude and φ represents the phase), and the phase distribution φ of the reference light_RAssuming that (x, y) is 0 (ideal wavefront), b (x, y) is represented by the amplitude distribution A of the reference light as expressed by the equation (7)._R(X, y) and the amplitude distribution A of the object light_oIt can be expressed by (x, y).

[0032]
Since the image without the object to be measured is an image using only the reference light, the image including only the reference light is recorded, and the square root of each pixel of the CCD is obtained, thereby obtaining the amplitude distribution A of the reference light._R(X, y) can be obtained. Therefore, the A thus obtained_RUsing (x, y), the real part Re {c (x, y)} and the imaginary part Im {c (x, y)} of the complex amplitude c (x, y), the following equation (8): By calculating the expression (9), the phase distribution φ of the reflected light of the object at the position of the imaging surface of the CCD is obtained._o ₀(X, y) and amplitude distribution A_o ₀(X, y) can be obtained, and the complex amplitude U of the reflected light of the object at the position of the imaging plane of the CCD can be obtained using the equation (6)._o ₀(X, y) can be expressed.

By multiplying the phase distribution of equation (8) by λ / (2π), the surface shape of the device under test can be obtained.
However, since the shape based on the phase distribution is a relative value with respect to the shape of the reference surface, the position of the measured surface (the height of the object reflected light in the substantially optical axis direction) cannot be obtained. In the present invention, such a position is obtained based on the principle of the focusing method using the amplitude distribution obtained by Expression (9).
[0033]
The focusing method is described in, for example, literatures: Mitsuhiro Ishihara and Hiromi Sasaki, “High-speed three-dimensional shape measurement by focusing method”, Journal of the Japan Society for Precision Engineering, vol. 63, no. 1. As reported in 1997, while an image of an object to be measured is substantially formed on an imaging surface of a CCD by an objective lens, a plurality of sheets are moved while moving the objective lens in the optical axis direction of the optical system. Record object images. When the objective lens is moved in the direction of the optical axis of the optical system, the object image is defocused in accordance with the amount of the movement, so that the contrast of the image changes. Therefore, the height of the object in the optical axis direction of the optical system can be obtained by detecting the position of the objective lens when the focus is focused and the contrast reaches a peak. Then, by detecting the peak of the contrast in each minute area in the CCD image, the height of the object in that area is obtained, and the processing is performed in all the areas that can be observed by the CCD, so that the entire area can be observed. The height distribution of the surface can be determined. However, according to the method, since a plurality of images are recorded while moving the objective lens in time series, it becomes difficult to measure when the object is moving. It cannot be applied to shape measurement.
[0034]
In the present invention, the focus shift caused by the movement of the objective lens in the conventional focusing method is given by numerical calculation. In order to cause defocus, the complex amplitude U of the object reflected light is substituted by substituting the amplitude and phase obtained by the equations (8) and (9) into the equation (6)._o(X, y) is obtained, and it is substituted into the equation (10) to calculate the Fresnel diffraction of the object reflected light.

In the expression (10), Z represents the distance from the CCD surface in the optical axis direction of the optical system. By inputting the value of Z and calculating the expression (10), the object reflection at a position Z away from the CCD surface is obtained. Complex amplitude of light U_ZCan be requested. From the complex amplitude at a predetermined Z position, the amplitude distribution A of the reflected light from the object is calculated using Expression (9)._Z(X, y) can be obtained, and the amplitude distribution of the object reflected light obtained by the equation (9) is equivalent to the square root of the intensity at each pixel in the image observed by the CCD. Therefore, by changing the value of Z, a plurality of amplitude images having different defocus amounts can be obtained. In the conventional focusing method, the defocus is given by moving the objective lens. Here, the work of giving the defocus by virtually moving the CCD in the optical axis direction of the optical system is performed by numerical calculation processing. ing. Since only a single interference fringe is recorded and all the subsequent processing is performed by arithmetic processing, it is possible to cope with a moving object. Using a plurality of amplitude images with different defocuses, the contrast in a minute area is obtained in the same manner as the processing by the conventional focusing method, and the value of Z when the contrast reaches a peak is the height of the area. Here, in the case of detecting the contrast according to the defocus, it is necessary that there is a texture in the processing area. In the conventional focusing method, a rough object having a rough surface is often used as an object to be measured, so that the surface roughness can be treated as a texture, but when the object to be measured is a mirror surface, the surface roughness is reduced. It is difficult to detect optically.
[0035]
In the present invention, as an example of the correspondence, in order to know the height of the mirror surface which is the object to be measured, the edge portion of the mirror is regarded as a texture, and the contrast peak accompanying the defocus of the mirror edge is detected. The position (height) of the mirror substantially in the optical axis direction of the optical system is obtained. In this case, a position measurement value can be obtained from all CCD pixels corresponding to the image of the mirror edge, but a predetermined area at the mirror edge is set in advance as a reference area, and the measurement value in that area is used as the position measurement value of the mirror. Or an average of all position measurements in a micro-region with texture may be used as the position measurement of the mirror. Since the difference in the position (height) between the edge of the mirror and the mirror surface other than the edge is obtained by the phase distribution of the equation (8), the surface shape of the mirror can be measured on the nanometer order using the phase distribution. The position of the mirror can be measured using the amplitude distribution, so that both can be obtained simultaneously. FIG. 4A shows a model of a numerical calculation process for giving a defocus, and FIG. 4B shows a mirror edge position (● plot) and a position without a mirror edge (■ plot) when Z is changed. 3) shows how the contrast changes in ().
[0036]
FIG. 4A shows a state in which an image of the DUT 16 is formed by the lens 17 at the position of the CCD imaging surface 18b. Calculating equation (10) while changing the value of Z by virtually changing the position of the CCD to, for example, 18a or 18c, with the position where the image of the DUT 16 is substantially formed by visual observation as the origin. Thereby, defocus can be given to the amplitude image. In FIG. 4B, the value of Z is plotted on the horizontal axis, the contrast is plotted on the vertical axis, and the contrast value when Z is changed is plotted. As shown by the plots of ● and ● in the figure, in the amplitude image, the level of contrast change is large when there is a texture in the minute area for detecting the contrast, and the level of contrast change when there is no texture. Becomes smaller. Therefore, by applying a threshold to the peak value of the contrast change, it is possible to determine whether or not there is a texture in the minute area for detecting the contrast. D needs to be obtained only in a minute area having a texture.
[0037]
D obtained by substituting D in FIG. 4B into the following equation (11) is a measured value of the position. In the equation (11), k is the sensitivity to defocus, and M is the magnification of the optical system. As the magnification of the optical system increases, the measurement resolution improves.

In the case where the object to be measured is, for example, one having a drive mirror attached to the base as shown in FIG. 1, the difference between the position measurement value of the base and the position measurement value of the mirror edge can be calculated. If so, it is the position of the mirror with respect to the base. When detecting the defocus of the base, if the base is a rough surface, an image of the rough surface is used as the texture. If the base is a mirror surface, the base may be marked in advance and the mark may be used as a texture, or a pattern that forms an image on the base surface may be projected onto the base and used as a texture. Alternatively, if a base edge is observed in the field of view, it may be used as a texture. The method of marking and the method of projecting a pattern can be applied to the mirror surface that is the object to be measured, and the mark is pre-marked on the surface of the mirror to be measured or the pattern is formed so that an image is formed on the surface of the mirror to be measured. If the mark or pattern is used as a texture by projecting an image, there is no need to use the edge of the mirror as the texture. Even when the object to be measured is a mirror array as shown in FIG. 2, the edge of the mirror may be used as the texture, or the pattern projected on each mirror surface may be used as the texture.
[0038]
An example of a measurement procedure when a vibrating mirror as shown in FIG. 1 is used as an object to be measured will be described. FIG. 1B illustrates the state of vibration of the vibrating mirror observed from the side, and illustrates the vibration phase and the tilt of the mirror.
The oscillating mirror oscillates in the form of swinging in the direction of the arrow in the figure, and is used for changing the direction of reflected light of light applied to the oscillating mirror or for scanning. When the vibration phase is 0 degree, the mirror surface is horizontal (the surface shown by a solid line in the figure). When the vibration phase is 90 degrees, the mirror surface is tilted to the left at the maximum angle (the surface shown by the dotted line), and when the vibration phase is 180 degrees, the mirror surface is horizontal again (the surface shown by the solid line). When the vibration phase is 270 degrees, the mirror surface is tilted to the right at the maximum angle (the surface represented by a dashed line in the figure), and when the vibration phase is 360 degrees, the mirror surface is horizontal again (represented by the solid line in the diagram). Face). The oscillation is repeated with the above movement as one cycle, and the tilt of the mirror changes continuously. The maximum angle of inclination of the mirror surface is determined by the specification value of the vibration amplitude of the vibrating mirror, and the specification of the vibration cycle is also set.
[0039]
In the measurement, the shape of the vibrating mirror and the position of the mirror surface substantially in the direction of the optical axis of the irradiation optical system are measured by the apparatus and method according to the present invention. For example, when the mirror is horizontal (oscillation phase is 0 degree) Or the mirror shape and position when the mirror is tilted at the maximum angle (oscillation phase is 90 degrees or 270 degrees). Find the surface shape and position of the mirror at a given time.
First, an image of only the reference light is recorded in a state where the device under test is not installed, and then the device under test is set. Then, the object to be measured is stopped at the inclination to be measured, and the position of the object to be measured in the optical axis direction of the optical system is adjusted so that the mirror surface is almost focused while visually checking the texture such as a mirror edge. I do. When the inclination of the reference mirror is adjusted, interference fringes occur. Thereafter, the tilt of the reference mirror is further adjusted so that a predetermined spatial carrier frequency is placed on the interference fringes, and then the mirror to be measured is vibrated. If the imaging cycle of the CCD camera is not synchronized with the vibration frequency of the mirror to be measured, the generated interference fringes move or disappear. If the imaging cycle of the CCD camera is synchronized with the oscillation frequency of the mirror to be measured, the interference fringes will be apparently stopped and observed, so if the interference fringes are apparently stopped and the interference fringes are recorded at a predetermined timing, The interference fringes at the inclination of the mirror to be measured can be recorded. The data processing after recording the interference fringes may be performed as described in the principle description. As a result, the position of the measured surface with respect to the reference base surface in the direction of the optical axis of the irradiation optical system at the moment of movement and the surface shape of the measured surface at the moment of movement are obtained. The tilt of the measured mirror at the time of measurement may be arbitrary, but a necessary condition is that the tilt of the reference mirror is adjusted so that a predetermined spatial carrier frequency is placed on the interference fringes. Depending on the inclination of the vibrating mirror to be measured, s shown in FIG. 1A cannot be obtained due to the inclination between the base surface and the mirror surface. However, the position measurement value of the mirror surface in the direction of the optical axis of the irradiation optical system and the base surface The geometric relationship between the position measurement value in the optical axis direction of the irradiation optical system, the texture position in the observation plane measured the position of the base surface in the optical axis direction of the irradiation optical system, and the inclination of the mirror surface is obtained. It may be reflected in the performance and processing accuracy of the measured object.
[0040]
Next, an example of a measurement and processing procedure when the object to be measured is a mirror array as shown in FIG. 2 will be described.
When a mirror array is used as a spatial modulation element in a display, each mirror surface is switched to several (eg, two) predetermined angles to turn on / off reflected light of light applied to the mirror. Act to do. In this case, the shape of the mirror surface at the moment when the angle is switched and the relative position of each mirror surface in the direction of the optical axis of the irradiation optical system are measured by the apparatus and method of the present invention. When the mirror array is used for an optical equalizer in optical communication, each mirror surface is switched to some predetermined angle, so that each mirror is irradiated from one-dimensional or two-dimensionally arranged optical fibers to each mirror. It operates so that the reflected light of the reflected light is guided to a predetermined position of the optical fibers arranged one-dimensionally or two-dimensionally. In this case, the shape of the mirror surface at the moment when the angle is switched and the relative position of each mirror surface in the direction of the optical axis of the irradiation optical system are measured by the apparatus and method of the present invention.
[0041]
At the time of measurement, first, an image of only the reference light is recorded without setting the object to be measured, and then the object to be measured is set. Then, the mirror array is stopped so that the mirror surfaces are substantially parallel at the mirror angle to be measured. Then, while visually checking the texture of the mirror edge and the like, the position of the object to be measured in the direction of the optical axis of the optical system is adjusted so that the mirror surface is substantially focused. Then, when the inclination of the reference mirror is adjusted, interference fringes occur. Then, after further adjusting the inclination of the reference mirror so that a predetermined spatial carrier frequency is placed on the interference fringes, the mirror array is driven while each mirror is substantially parallel. If the mirror array is driven at a constant cycle and within one cycle to the state where the mirror to be measured is tilted, and the imaging cycle of the CCD camera is synchronized with the mirror array drive cycle, interference fringes may appear Observed stationary. Conversely, if the imaging cycle of the CCD camera is not synchronized with the driving cycle of the mirror array, the generated interference fringes move or disappear. When the imaging cycle of the CCD camera is synchronized with the drive cycle of the mirror array, the interference fringes are apparently stopped, and when the interference fringes are recorded at a predetermined timing, the interference fringes at the inclination to be measured of the mirror to be measured are recorded. Can be. Data processing after interference fringe recording may be performed as described in the principle description. Thereby, the relative position of each mirror surface in the direction of the optical axis of the irradiation optical system at the moment of movement and the surface shape of each mirror surface at the moment of movement are obtained. The inclination of the mirror at the time of measurement may be arbitrary, but the inclination of the reference mirror is adjusted so that a predetermined spatial carrier frequency is placed on the interference fringe. A necessary condition is to drive the mirror array so as to be parallel.
[0042]
FIG. 5 shows an example of a measurement procedure for measuring the position of the measured surface in the optical axis direction of the irradiation optical system and measuring the shape of the measured surface. In FIG. 5, i is a count value, Z0 is an initial value when Z is changed when performing position measurement, ΔZ is a pitch at which Z is changed, N is the number of times Z is changed, and other English characters are implemented. It has the same meaning as the English characters in the examples.
[0043]
2. Invention according to claim 2
When the measurement is performed by the apparatus according to the first aspect, an image including only the reference light is required. In this case, it is sufficient to record an image without the object to be measured, but depending on the installation environment of the measuring device, reflected light from structures around the device may enter the CCD and become noise, resulting in an increase in measurement accuracy. May lower. In the present invention, in the measurement process, as shown in FIG. 6, a light-shielding plate 19 is manually installed in the optical path from the object to be measured to the CCD to block reflected light from the object, thereby providing a noise-free reference. Acquire a light-only image. The part numbers in FIG. 6 are the same as those in FIG. This makes it possible to provide a highly accurate measuring device that is not affected by noise.
[0044]
3. Invention according to claim 3
Regarding the installation of the light-shielding plate according to claim 2, the light-shielding plate may be manually installed in the optical path from the object to be measured to the CCD, but the work of installing the light-shielding plate every time the object to be measured changes. According to manual work, workability and operability are lacking. In the present invention, as shown in FIG. 7, a light shielding plate 19 is mounted on a stage 20 which can be moved back and forth in a direction substantially perpendicular to the optical axis of the optical system, and the stage 20 is moved forward and backward to move the light shielding plate from the optical path from the object to be measured to the CCD. Install inside. If the stage 20 is moved forward and backward by rotation of a stepping motor (not shown) or the like, the light shielding plate can be automatically installed at a position in the optical path from the object to be measured to the CCD by designating the number of pulses. Thereby, the operability and workability of the measurement are improved.
[0045]
4. Invention according to claim 4
This will be described with reference to FIGS. 8A and 8B, the components denoted by the same reference numerals as those in FIG. 3 are the same as the components shown in FIG.
Reference numeral 21 denotes an objective lens for enlarging an image of an object to be measured and forming an image at a position on an imaging surface of a CCD. To increase the magnification, a microscope objective lens may be used. The positional relationship between the device under test 8 and the CCD 10 in the optical axis direction of the optical system is adjusted so as to have an optically conjugate relationship with the objective lens 21. In the case of the configuration shown in FIG. 8A, since the lens is provided only in the optical path of the object reflected light, a difference in curvature occurs between the reference light and the object reflected light in the wavefront, and the interference fringes generated by the difference appear in FIG. Are observed as shown in FIG. As a result, of the complex amplitude of the object reflected light obtained from the recorded interference fringes, a defocus component is generated in the phase data, which becomes a measurement error of the surface shape. The defocus component may be corrected using a Zernike polynomial or the like. However, when the defocus component becomes large, for example, when the magnification of the optical system is increased, the interval between interference fringes becomes narrower. Detection of interference fringes becomes impossible (interval of interference fringes becomes smaller than the size of two CCD pixels).
[0046]
In order to remove the defocus component, a lens having the same focal length as the objective lens 21 may be installed in the reference optical path. However, the positional relationship between the DUT 8, the objective lens 21, and the CCD 10 is substantially the same. In addition, it is necessary to adjust the positional relationship between the reference surface, the CCD, and the lens installed on the reference optical path, which complicates the optical system and causes a shape measurement error accompanying the adjustment error. FIG. 8B shows an integrated structure of the objective lens 23, the beam splitter 24, and the reference surface 25, which functions as an imaging optical system and at the same time as an interference optical system. 22 functions as a condenser lens. Since the same objective lens is provided in the reference light path and the object reflection light path and operates in the same manner, a defocus component does not occur in interference fringes, and the position of the objective lens can be easily adjusted. Thereby, the configuration and adjustment of the measurement optical system can be simplified, and the shape measurement error can be reduced. Further, even when the magnification of the optical system is increased, the shape can be measured.
[0047]
5. Invention according to claim 5
In the case where the object to be measured is an object having a periodic vibration as shown in FIG. 1, the optical path difference between the reflected light of the object and the reference light is different due to the inclination of the surface of the object. Come. Therefore, the spatial carrier frequency of the interference fringes varies depending on the inclination of the surface of the object to be measured, and the measurement conditions change.
In the invention according to claim 1 described above, the object to be measured is stopped at the inclination to be measured while the reference mirror 12 is kept stationary so that no difference occurs in the spatial carrier frequency of the interference fringes due to the inclination of the surface of the object to be measured. Is adjusted so that a predetermined spatial carrier frequency is placed on the interference fringes, and then interference fringes are recorded. However, according to this method, the above-mentioned work needs to be performed every time the inclination of the surface of the object to be measured is changed, so that the workability is lacking. The invention according to claim 5 which solves the above problem will be described with reference to FIG. Parts designated by the same reference numerals as those in FIG. 3 are the same as those in the invention according to claim 1 shown in FIG.
[0048]
Reference numeral 26 denotes a He-Ne laser 4, an ND filter 5, a beam expander 6, a beam splitter 7, a lens 9, a CCD camera 10, and an ND filter 11 for adjusting an irradiation light intensity to an object. And a stage on which the reference mirror 12 is mounted and which rotates around the arrow in the figure. Due to the rotation of the rotary stage 26, the angle between the optical axis of the irradiation optical system and the DUT 8 changes, and the phase difference between the object reflected light and the reference light changes, so that the spatial carrier frequency of the interference fringes changes. . However, the direction in which the inclination of the surface to be measured changes and the rotation direction of the rotary stage 26 are in the same plane. The relationship between the angle δ between the reference mirror 12 and the surface to be measured and the interference fringe interval g is expressed by the following equation (12). If the interference fringe interval g is determined, the spatial carrier frequency is determined.

[0049]
On the other hand, when the vibration phase of the measured surface is 0, and the inclination of the measured surface with respect to the optical axis of the irradiation optical system is 0 degrees, the relationship between the inclination θ of the measured surface and the vibration phase p of the measured surface is , (13). H is the vibration amplitude of the vibration mirror, and L is the span of the vibration mirror.

Therefore, first, the interference fringe interval g is determined, and the angle δ between the reference mirror and the surface to be measured is calculated and stored by equation (12). The inclination θ of the surface to be measured is determined in accordance with the change in the oscillation phase p of the oscillation mirror, and the stage 26 is rotated so that the angle becomes θ + δ. As a result, the spatial carrier frequency becomes constant at the inclination of the vibration mirror surface, and measurement under the same conditions becomes possible. If the stage 26 is automatically programmed so that the angle becomes θ + δ when the vibration phase p is inputted, efficient measurement can be realized.
[0050]
6. Invention according to claim 6
In the case where the object to be measured is an object having a periodic vibration as shown in FIG. 1, the optical path difference between the object reflected light and the reference light is different due to the inclination of the object surface, so that the fringe intervals of the interference fringes are different. come. Accordingly, the spatial carrier frequency of the interference fringes varies depending on the inclination of the surface of the object to be measured, and the measurement conditions change. In the invention according to claim 1 shown in FIG. 3, the object to be measured is stopped at the inclination to be measured and the reference mirror is moved so that the spatial carrier frequency of the interference fringe does not differ due to the inclination of the surface of the object to be measured. The inclination is adjusted so that a predetermined spatial carrier frequency is placed on the interference fringes, and then the interference fringes are recorded. However, according to this method, the above operation needs to be performed every time the inclination of the surface of the object to be measured is changed. An invention according to claim 6 which solves this problem will be described with reference to FIG. Parts denoted by the same reference numerals as those in FIG. 3 are the same as those of the invention according to claim 1 shown in FIG.
[0051]
Reference numeral 27 denotes a stage for moving the lens 6a of the beam expander 6 in a direction substantially perpendicular to the optical axis. However, the direction in which the inclination of the surface to be measured changes and the direction in which the stage 27 moves are in the same plane. Then, the relationship between the movement distance s of the stage 27 and the angle σ of the irradiation light with respect to the optical axis of the optical system is expressed by the following equation (14).

f is the focal length of the lens 6a. Therefore, the stage moving distance s is determined by substituting θ + δ obtained by the equations (12) and (13) into σ of the equation (14), and the stage moving distance s is obtained in accordance with the change in the vibration phase p of the surface to be measured. When the stage 27 is moved in this way, the spatial carrier frequency becomes constant at the inclination of the oscillating mirror surface, and measurement under the same conditions becomes possible. If the stage 27 is programmed to automatically move by s when the vibration phase p is input, efficient measurement can be performed.
[0052]
7. Invention according to claim 7
When the position of the object is obtained based on the amplitude data (amplitude image) of the complex amplitude data of the object reflected light obtained by the calculation, the amplitude image of the object reflected light at a plurality of positions substantially in the optical axis direction of the object reflected light And the object position is measured by detecting the in-focus state of the image in the image. In order to detect the in-focus state, it is necessary to quantitatively detect the degree of blur of the texture (pattern) of the image. On the other hand, since the laser light source has high temporal and spatial coherence, the texture may not be clearly observed due to the influence of diffraction, and noise interference fringes (interference that does not depend on the shape of the object) due to reflected light from the constituent surface of the measurement optical system may occur. Since fringes tend to occur, they degrade the measurement accuracy. In the invention according to claim 7, for example, as shown in FIG. 12, the light emitted from the He—Ne laser 4 is diffused by using the diffusion plate 28, so that the spatial coherence of the irradiation light to the object to be measured is reduced. Lower. By rotating the diffusion plate 28 using the motor 29, the influence of speckle noise due to scattering at the diffusion plate is eliminated. The reduction in spatial coherence enables observation of a clear texture with little influence of diffraction, and also reduces noise interference fringes, so that the position and shape measurement accuracy can be improved. Note that light from a light source having a large light-emitting area such as a filament can be monochromated by a color filter and used.
[0053]
8. Invention according to claim 8
When measuring an object surface shape by recording an interference fringe image, if the object moves while recording the interference fringe image, the interference fringes are disturbed and accurate measurement cannot be performed. In such a case, it is sufficient to record the interference fringes at an imaging speed sufficiently short with respect to the operation speed of the object, or to shorten the irradiation time of the light to the object sufficiently. It is more advantageous to shorten the irradiation time than to shorten the time. In the present invention, a solid-state pulsed laser such as a ruby laser is used as a light source, or a semiconductor laser is driven by pulsed light emission, thereby shortening the irradiation time of light to the object. High accuracy measurement is possible even in such cases.
[0054]
9. The invention according to claim 11
In the measuring method using the simultaneous measuring device for dynamic shape and dynamic position according to the first aspect, an image using only the reference light is required for each measurement. However, even if the object to be measured changes, the setting of the optical system does not change. In this case, an image formed by only the same reference light has a complex amplitude U_oCan be used to calculate According to an eleventh aspect of the present invention, in the case where the setting of such an optical system does not change, an image of only the reference light is recorded and stored in advance by using a light shielding unit, and the stored reference light is stored. Image of only complex amplitude U_oIs used in the calculation for determining the value of, it is possible to save the trouble of recording an image of only the reference light every time the measurement is performed.
[0055]
10. Claim 13
The invention according to claim 13 relates to a method for adjusting the recording timing of interference fringes when measuring a periodically oscillating object using the simultaneous measuring apparatus for dynamic shape and dynamic position according to claim 1. This uses an image recording function by a trigger input.
FIG. 13A shows an example of an input signal for driving a vibrating mirror as an object that periodically vibrates, and FIG. 13B shows an example of a trigger signal input to a CCD. In FIGS. 13A and 13B, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents input voltage.
Reference numeral 30 corresponds to the vibration period of the object. The relationship between the vibration phase of the vibrating mirror and the tilt of the mirror surface is shown by the above equation (13). Therefore, once the tilt of the vibrating mirror surface to be measured is determined, the timing is adjusted to the vibration phase. A trigger signal is input to the CCD. If a trigger signal is continuously input and recorded and displayed, an interference fringe image observed by the CCD looks apparently still, so one of the recorded interference fringes is used. If the shutter speed of the CCD is shortened in accordance with the vibration speed of the object by implementing the invention according to the above, it is possible to cope with the object vibrating at a high speed.
[0056]
11. The invention according to claim 14
According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a method for adjusting the irradiation timing of pulsed light to an object to be measured when measuring a periodically vibrating object by using the simultaneous dynamic shape and dynamic position measuring apparatus of the eighth aspect In FIG. 13, the trigger signal input to the CCD is input to the driver of the pulse laser. If the trigger signal input to the pulse laser is also used as a trigger signal for recording an image on the CCD, an apparently stationary interference fringe is observed, so the emission pulse width of the pulse laser must be shortened in accordance with the vibration speed of the object. It can handle objects that vibrate at high speed.
[0057]
12. Invention according to claim 15
According to a fifteenth aspect of the present invention, the complex amplitude U of the object reflected light is obtained by the method for simultaneously measuring the dynamic shape and the dynamic position according to the ninth aspect._iWhen the position of the object in the direction of the optical axis of the irradiation optical system is measured from the amplitude data of the reflected light of the object, the in-focus state of the object image is detected.
In order to detect the in-focus state, a texture (pattern) is required. While observing the texture, it is determined that the sharpest image is the focused state, and the blurred state is the defocused state. . The in-focus or out-of-focus is quantitatively detected by calculating the level of the contrast by calculating adjacent pixels such as the differential sum of the CCD, or extracting the luminance of a single pixel of the CCD.
In the present invention, the position of a predetermined certain surface in the direction of the optical axis of the irradiation optical system is measured by detecting the in-focus state of the texture on the predetermined certain surface of the object to be measured composed of a plurality of surfaces, and By measuring the position of another predetermined surface in the optical axis direction substantially by irradiating the optical system by detecting the in-focus state of the texture in another surface, and calculating the difference between them, Measure the relative position of the surfaces.
[0058]
13. The invention according to claim 16
In the invention according to claim 16, when the surface to be measured is an optically rough surface, a rough image of the surface to be measured is used as texture. FIG. 14 shows an example of a surface roughness image in an amplitude image when the vibrating mirror in FIG. 1 is used as an object to be measured. In FIG. 14, 31 is a mirror surface to be measured, 32 is a base surface, and 32 is a base surface. Innumerable lines denoted by reference numeral 33 represent rough textures. For example, surface position measurement may be performed using the line denoted by reference numeral 33 as texture.
[0059]
14． The invention according to claim 17
According to the invention according to claim 17, in an object having an optical mirror surface such as a mirror or optical glass, the surface roughness cannot be optically observed as a size smaller than the diffraction limit of light, and therefore, the texture is reduced. Observation becomes impossible, and there is a problem that the in-focus state cannot be detected because there is no texture. When the surface to be measured is an optical mirror surface, an image of a mark previously marked on the surface to be measured is used as texture.
FIG. 15 shows an amplitude image when the oscillating mirror in FIG. 1 is an object to be measured (however, the same reference numerals are used for the same parts as those in FIG. 14). A mark 34 is shown on the base surface 32, and a mark 35 is shown on the mirror surface 31. The mark 34 is a texture for measuring the position of the base surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system. And 35 are textures for measuring the position of the oscillating mirror surface substantially in the direction of the optical axis of the irradiation optical system.
[0060]
15. Invention according to claim 18
In the invention according to claim 18, in an object having an optical mirror surface such as a mirror or an optical glass, the roughness of the surface becomes smaller than the diffraction limit of light and cannot be optically observed, and the texture cannot be observed. This makes it impossible to detect the in-focus state because there is no texture. When the measured surface is an optical mirror surface, an edge image of the measured surface is used as texture. FIG. 16 shows an amplitude image when the oscillating mirror in FIG. 1 is the object to be measured (however, the same reference numerals are used for the same components as those in FIG. 14). Reference numeral 36 denotes an edge on the

base surface

32, and 37 denotes an edge on the mirror surface 31. Reference numeral 36 denotes a texture for measuring the position of the base surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system, and reference numeral 37 denotes a texture for measuring the position of the vibrating mirror surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system.
[0061]
16. The invention according to claim 19
According to the method of the fifteenth aspect, a measured value of the position of the surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system can be obtained in all regions where the texture image exists. When the surface to be measured is a mirror surface, a measured value of the surface shape using the phase data is obtained, but it is difficult to associate the measured value of the position and the measured value of the shape because the resolution is different (for example, The difference between the height of an arbitrary part and the height of a certain part is only a few nanometers when looking at the shape measurement value, but it is several μm when looking at the position measurement value. Is to set a predetermined portion of a region where a texture image is present as a reference, and to measure the position in the position measurement as a position measurement value of the measured surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system.
For example, the position 38 at the edge 36 in FIG. 16 is set as the reference position of the base surface, the position 39 at the edge 37 is set as the reference position of the mirror surface, and the position measurement values at

reference numerals

38 and 39 are respectively used for the position measurement of the base surface and the mirror surface. Value.
[0062]
17. The invention according to claim 20
According to the method of the fifteenth aspect, a measured value of the position of the surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system can be obtained in all regions where the texture image exists. When the surface to be measured is a mirror surface, a measured value of the surface shape using the phase data is obtained, but it is difficult to associate the measured value of the position and the measured value of the shape because the resolution is different (for example, The difference between the height of an arbitrary region and the height of a certain region is only a few nanometers when viewed from a shape measurement value, but is several μm when viewed from a position measurement value. Calculates the average value of the measured position values in a predetermined area in the texture image, and uses the calculated average value as the measured position value of the surface to be measured substantially in the axis direction of the irradiation optical system.
For example, the position measurement values of all the pixels constituting the edge 36 in FIG. 16 are obtained, the average value thereof is used as the position measurement value of the base surface, and the position measurement values of all the pixels constituting the edge 37 are obtained and the average value is taken as the mirror surface. Is the position measurement value.
[0063]
【The invention's effect】
The effects of the present invention are as follows, summarized for each claim.
1. Invention according to claim 1
From the interference fringe image generated between the object reflected light and the reference light and the image formed only by the reference light, the complex amplitude U of the object reflected light at the position of the imaging means is obtained._oIs calculated, and the complex amplitude U of the object reflected light at a plurality of positions in the optical axis direction of the object reflected light is calculated by calculating the Fresnel diffraction of the complex amplitude of the object reflected light at the position of the imaging means._i(I: integer), and_iThe surface shape of the object is determined from the phase data of the reflected light of the object determined from_iBy calculating the position of the object in the direction of the optical axis of the irradiation optical system from the amplitude data of the reflected light of the object, the surface shape and the position of the moving object in the direction substantially perpendicular to the surface are simultaneously measured. Thereby, in a dynamic object having a fine structure such as a MEMS, it is possible to simultaneously obtain, with high in-plane spatial resolution, a surface shape of the order of nanometers while the object is moving and a position of the object in a substantially optical system optical axis direction. A measuring device can be provided.
[0064]
2. Invention according to claim 2
A light-shielding unit is provided in an optical path from the object to be measured to the imaging unit, and an image of only the reference light without noise is acquired by blocking the reflected light from the object. This makes it possible to provide a highly accurate measuring device that is not affected by noise.
[0065]
3. Invention according to claim 3
2. The operability of the apparatus according to claim 1, wherein the light-shielding means is mounted on a stage that can advance and retreat in a direction substantially perpendicular to the optical system optical axis, and the installation of the light-shielding means in the optical path is automated by driving the stage. Can be improved.
[0066]
4. Invention according to claim 4
When an object image is optically magnified and imaged at the position of the imaging means, the optical system for enlarging the object image and imaged at the position of the imaging means and an interference optical system are integrated to form the object light. By using the same lens for converting a spherical wave into a lens for converting the reference light into a spherical wave, the configuration and adjustment of the measurement optical system can be simplified, and measurement errors can be reduced.
[0067]
5. Effect of the invention according to claim 5
When the object to be measured is a periodically vibrating object, a rotation stage that changes the inclination of a unit integrating the light source, the irradiation optical system, the interference optical system, the imaging unit, and the imaging optical system is added to the configuration, and the amount of rotation is reduced. By designating, the fringe interval of the interference fringes is set, so that stable measurement under a constant condition on the inclination of the object surface can be efficiently performed.
[0068]
6. Effect of the invention according to claim 6
In the case where the object to be measured is an object that periodically vibrates, a linear motion stage that relatively shifts the optical axis of the irradiation optical system and the optical axis of the imaging optical system is added to the configuration. By changing the angle at which the illuminating light is incident on the surface to be measured, the fringe interval of the interference fringes is set, so that stable measurement can be efficiently performed under a constant condition for the inclination of the object surface.
[0069]
7. Effect of the invention according to claim 7
By using a diffused light source as the light source, its spatial coherence can be reduced, thereby enabling a clear texture with less influence of diffraction to be observed, and measuring accuracy can be improved by reducing noise interference fringes.
[0070]
8. Effect of the invention according to claim 8
By using a pulse light source as a light source and shortening the irradiation time of light to the object, highly accurate measurement can be performed even when the object is moving at high speed.
[0071]
9. The invention according to claim 11
In the apparatus according to claim 1, an image using only the reference light is required for each measurement. However, even if the object to be measured changes, if the setting of the optical system does not change, the image using only the same reference light has the complex amplitude U._oCan be used to calculate According to the present invention, when the setting of such an optical system does not change, an image of only the reference light is recorded and stored in advance by using a light shielding unit, and the stored image of only the reference light is stored. Complex amplitude U_oIs used in the calculation for obtaining the value, the trouble of recording an image of only the reference light every time of measurement can be omitted, and the operability and workability of the measurement can be improved.
[0072]
10. The invention according to claim 12
In the case of measuring an object which periodically oscillates with the apparatus according to the fifth and sixth aspects, the fringe interval of the interference fringe generated between the object light and the reference light is set to be two orthogonal to the optical axis of the optical system of the unit of the fifth aspect. Arbitrary setting can be made by using a rotary stage that changes the tilt in the direction, or using a linear motion stage that relatively shifts the optical axes of the irradiation optical system and the imaging optical system according to claim 6. . If the intervals of the interference fringes to be recorded are different, the measurement conditions change, and the measurement accuracy changes accordingly. Therefore, the purpose of setting the fringe intervals is to set the inclination of the surface to be measured to the surface shape and the position in the optical axis direction of the optical system. In the same measurement condition. Therefore, while the object is vibrating, it is necessary to set the amount of rotation of the rotary stage and the amount of movement of the translation stage in accordance with the tilt state of the surface to be measured to be measured. However, according to the present invention, the inclination of the object is obtained by calculating the inclination of the object based on the vibration phase data of the object, and setting the amount of rotation of the rotary stage and the amount of movement of the translation stage from the inclination. The measurement accuracy can be stabilized by keeping the measurement conditions constant.
[0073]
11. Claim 13
When the object to be measured vibrates periodically, it is necessary to record interference fringes in a state where the object is at an inclination to be evaluated. In that case, it is necessary to set the recording timing of the interference fringe image. For example, by using the phase data of the vibration of the object to be measured for the above setting, it is possible to realize a method for accurately recording the interference fringe image in a state where the object has a predetermined inclination.
[0074]
12. The invention according to claim 14
When the object to be measured vibrates periodically, it is necessary to record interference fringes in a state in which the object has the inclination to be evaluated. In this case, when a pulse light source is used as the light source, set the pulse emission timing of the light source. There is a need. The present invention can realize a method for accurately performing pulse emission of a light source in a state where an object has a predetermined inclination by using phase data of vibration of an object to be measured for the above setting. .
[0075]
13. Invention according to claim 15
10. The method of claim 9 wherein said U_iWhen the position of the object in the direction of the optical axis of the irradiation optical system is measured from the amplitude data of the reflected light of the object, the in-focus state of the object image is detected. In order to detect the above-mentioned in-focus state, a texture (pattern) is necessary. When the texture is observed and the image becomes sharpest, the image is in focus, and when the image is out of focus, the image is out of focus. Is determined. The in-focus or out-of-focus is quantitatively detected by calculating the level of contrast by calculating adjacent pixels such as a differential sum of the CCD, or by extracting the luminance of a single pixel of the CCD. The present invention measures the position of a given surface in a direction substantially along the optical axis of the irradiation optical system by detecting the in-focus state of texture on a given surface of the object to be measured composed of a plurality of surfaces, By detecting the in-focus state of the texture on another predetermined surface, measuring the position of another predetermined surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system, and obtaining the difference therebetween, the optical axis direction of the substantially irradiation optical system is determined. The method of claim 9 can be realized by measuring the relative positions of the surfaces in.
[0076]
14． The invention according to claim 16
When the surface to be measured is an optically rough surface, the method of claim 9 can be realized by using a rough image of the surface to be measured as a texture.
[0077]
15. The invention according to claim 17
In the case of an object with an optical mirror such as a mirror or optical glass, the roughness of the surface becomes smaller than the diffraction limit of light, it cannot be observed optically, texture cannot be observed, and there is no texture. There is a problem that the state cannot be detected. When the surface to be measured is an optical mirror surface, the method of claim 9 can be realized by using the image of the mark previously marked on the surface to be measured as texture.
[0078]
16. Invention according to claim 18
In the case of an object with an optical mirror such as a mirror or optical glass, the roughness of the surface is smaller than the diffraction limit of light, and cannot be observed optically. A problem that the in-focus state cannot be detected occurs. When the surface to be measured is an optical mirror surface, the method according to the ninth aspect can be realized by using an edge image of the surface to be measured as a texture.
[0079]
17. The invention according to claim 19
In the method according to the fifteenth aspect, a measured value of the position of the surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system can be obtained in all regions where the texture image exists. When the surface to be measured is a mirror surface, a measured value of the surface shape using the phase data is obtained, but it is difficult to associate the measured value of the position and the measured value of the shape because the resolution is different (for example, The difference between the height of an arbitrary part and the height of a certain part is only several nm when looking at the shape measurement value, but it is several μm when looking at the position measurement value.) Therefore, according to the present invention, a predetermined portion of a region where a texture image is present is set as a reference, and in position measurement, a measured value at that portion is set as a position measured value of the measured surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system. Thus, the method of claim 9 can be realized.
[0080]
18. The invention according to claim 20
According to the method of the fifteenth aspect, a measured value of the position of the surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system can be obtained in all regions where the texture image exists. When the surface to be measured is a mirror surface, a measured value of the surface shape using the phase data is obtained, but it is difficult to associate the measured value of the position and the measured value of the shape because the resolution is different (for example, The difference between the height of an arbitrary region and the height of a certain region is only a few nm when looking at the shape measurement value, but is several μm when looking at the position measurement value.) Therefore, in the present invention, the average value of the position measurement values in a predetermined area in the texture image is calculated, and the calculated average value is used as the position measurement value in the direction of the axis of the irradiation optical system of the measured surface. Can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a MEMS having a configuration in which a vibrating mirror is attached to a base surface.
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a MEMS in which a plurality of mirrors are arranged and each is driven independently.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a measuring device according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a numerical calculation model for giving a defocus, and a relationship between a detected contrast and a position measurement value.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a measurement procedure of the measurement method according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a measuring device provided with a light shielding plate in addition to the configuration of the measuring device of FIG. 3;
7 is a diagram schematically illustrating a measuring apparatus provided with a stage for moving a light-shielding plate in a direction substantially perpendicular to the optical system optical axis in addition to the configuration of the measuring apparatus of FIG. 5;
FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a measuring device in which an imaging optical system and an interference optical system are integrated.
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating the appearance of interference fringes having a defocus component.
FIG. 10 shows a measurement provided with a rotation stage for changing the inclination of a unit in which a light source, an irradiation optical system, an interference optical system, an imaging unit, and an imaging optical system are integrated in addition to the configuration of the measurement apparatus of FIG. It is a figure explaining the outline of an apparatus.
11 is a diagram schematically illustrating a measuring apparatus provided with a stage for relatively shifting the optical axis of the irradiation optical system and the optical axis of the imaging optical system in addition to the configuration of the measuring apparatus of FIG. 3; is there.
FIG. 12 is a diagram schematically illustrating an example of a configuration for diffusing light from a laser.
FIG. 13 is a diagram for explaining vibration of a vibration mirror to be measured and imaging of a CCD, or timing of light emission of a pulse light source.
FIG. 14 is a diagram schematically illustrating a state of a surface roughness texture in an amplitude image of an object to be measured.
FIG. 15 is a diagram for explaining an outline of a state of a mark texture marked on a measured surface in an amplitude image of the measured object.
FIG. 16 is a diagram for explaining an outline of a state of an edge texture in an amplitude image of an object to be measured.
[Explanation of symbols]
1: Vibrating mirror
2: Reference plane
3: Mirror surface
4: Light source
5: ND filter
6: Beam expander
6a: Lens
7: Beam splitter
8: DUT
9: Lens
10: CCD camera
11: ND filter
12: Reference mirror
13: Holder
14: Frame grabber
15: Computer
16: DUT
19: Light shield
20: Stage
21: Objective lens
22: Condensing lens
23: Objective lens
24: Beam splitter
25: Reference surface
26: Rotary stage
27: Stage
28: Diffusion plate
29: Motor
31: Mirror surface to be measured
32: Base surface
34, 35: Mark
36: Edge on base surface 32
37: Edge on the mirror surface 31
38: Reference position of base surface
39: Reference position of mirror surface

Claims

A light source that generates light of substantially a single wavelength, an irradiation optical system for irradiating the object with light from the light source, an interference optical system for causing the object reflected light to interfere with the reference light, and the interference optical system Imaging means for imaging the generated interference fringes, an imaging optical system for forming an object image at the position of the imaging means, and imaging means from a single interference fringe image by the imaging means and an image using only the reference light An arithmetic unit 1 for calculating the complex amplitude of the object reflected light at the position, and a Fresnel diffraction of the complex amplitude _Uo of the object reflected light at the position of the imaging means to calculate the complex amplitude at a plurality of positions in the optical axis direction of the object reflected light. an arithmetic unit 2 for obtaining the complex amplitude U _Z of the object reflected light, composed from the arithmetic unit 3 which for determining the position in substantially the irradiation optical system in the optical axis direction of the surface shape and the object of the object from said complex amplitude U _Z Simultaneous measurement of dynamic shape and position Apparatus.

2. The simultaneous measurement of a dynamic shape and a dynamic position according to claim 1, further comprising a light shielding unit for shielding an object reflected light placed in an optical path between the object and the imaging unit in order to obtain an image including only the reference light. apparatus.

3. The apparatus for simultaneous measurement of a dynamic shape and a dynamic position according to claim 2, further comprising a translation stage for moving the light shielding unit in a direction substantially perpendicular to the optical axis of the optical system.

The apparatus for simultaneous measurement of a dynamic shape and a dynamic position according to claim 1, wherein the interference optical system and the imaging optical system are integrated.

The simultaneous dynamic shape and dynamic position measuring apparatus according to claim 1, further comprising a rotary stage that changes a tilt of a unit in which the light source, the irradiation optical system, the interference optical system, the imaging unit, and the imaging optical system are integrated.

The apparatus for simultaneous measurement of a dynamic shape and a dynamic position according to claim 1, further comprising a translation stage for relatively shifting an optical axis of the irradiation optical system and an optical axis of the imaging optical system.

The apparatus for simultaneous measurement of dynamic shape and dynamic position according to claim 1, wherein the light source is a diffuse light source that generates diffuse light.

2. The apparatus according to claim 1, wherein the light source is a pulse light source that generates pulsed light.

A simultaneous measuring method of the dynamic shape and the dynamic position by the simultaneous measuring device for the dynamic shape and the dynamic position according to claim 1,
From the interference fringe image generated between the object reflected light and the reference light and the image obtained only from the reference light, the complex amplitude _Uo of the object reflected light at the imaging means position is obtained, and the object reflected light at the imaging means position is calculated. determined complex amplitude U _Z of the object light reflected at a plurality of positions in the optical axis direction of the object reflected light by calculating the Fresnel diffraction of the complex amplitude, the object from the phase data of the object reflected light obtained from the complex amplitude U _Z The surface shape and the position of the object in the direction of the optical axis of the irradiation optical system are obtained from the amplitude data of the object reflected light obtained from the complex amplitude _UZ to obtain the surface shape and surface of the moving object. A dynamic shape and dynamic position simultaneous measurement method for simultaneously measuring positions in a vertical direction.

In the simultaneous measurement method of the dynamic shape and the dynamic position by the simultaneous measurement device of the dynamic shape and the dynamic position according to claim 2,
10. The method for simultaneous measurement of a dynamic shape and a dynamic position according to claim 9, wherein an image using only the reference light is recorded by installing a light shielding unit in an optical path between an object and the imaging unit.

A reference light image recorded by installing the light shielding means in an optical path between an object and the imaging means is stored, and the stored reference light image is used for a calculation for obtaining the complex amplitude _Uo. Nine dynamic shapes and dynamic position simultaneous measurement methods.

A simultaneous measuring method of a dynamic shape and a dynamic position by the dynamic shape and dynamic position simultaneous measuring device according to claim 5 or 6,
10. The method for simultaneously measuring the dynamic shape and the dynamic position according to claim 9, wherein the tilt amount or the shift amount is calculated based on phase data of the object vibration, and the fringe interval is set.

2. A method for simultaneously measuring a dynamic shape and a dynamic position by the dynamic shape and dynamic position simultaneous measuring apparatus according to claim 1, wherein the recording timing of the interference fringes is obtained based on phase data of an object vibration, and the interference fringes are obtained. 10. The method for simultaneously measuring a dynamic shape and a dynamic position according to claim 9, wherein:

9. The method for simultaneously measuring a dynamic shape and a dynamic position by the dynamic shape and dynamic position simultaneous measuring apparatus according to claim 8, wherein the light emission timing of the pulse light is obtained based on the phase data of the object vibration, and the light is emitted to the object. 10. The simultaneous measurement method of the dynamic shape and the dynamic position according to claim 9, wherein

A simultaneous measuring method of the dynamic shape and the dynamic position by the simultaneous measuring device for the dynamic shape and the dynamic position according to claim 1,
When detecting the position of the surface of the object to be measured composed of a plurality of surfaces substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system, by detecting the in-focus state of the texture of a given surface, the optical axis direction of the substantially irradiation optical system is detected. By determining the position of a predetermined certain surface in and detecting the in-focus state of the texture of another predetermined surface, obtaining the position of another predetermined surface substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system, and calculating the difference between them 10. The method for simultaneously measuring a dynamic shape and a dynamic position according to claim 9, wherein the relative position of each surface in the direction of the optical axis of the irradiation optical system is measured.

16. The dynamic shape and dynamic shape according to claim 15, wherein the position of the surface to be measured in the direction of the optical axis of the irradiation optical system is measured by detecting the in-focus state of the surface roughness texture image using the surface roughness as a texture. Simultaneous position measurement method.

16. The dynamic shape and dynamic position according to claim 15, wherein the position of the surface to be measured in the direction of the optical axis of the substantially irradiating optical system is measured by detecting the in-focus state of the mark texture image by using a mark previously marked on the surface as texture. Simultaneous measurement method.

16. The method according to claim 15, wherein the position of the measured surface in the direction of the optical axis of the irradiation optical system is measured by detecting an in-focus state of the edge texture image by using an edge portion of the surface as a texture. Simultaneous measurement method of dynamic shape and dynamic position.

16. The dynamic shape and dynamic position according to claim 15, wherein a position measurement value of a predetermined portion of the texture image obtained by detecting the in-focus state is a position measurement value of the surface to be measured substantially in the optical axis direction of the irradiation optical system. Simultaneous measurement method.

16. The dynamic of claim 15, wherein an average value of position measurements in a predetermined area of the texture image obtained by detecting the in-focus state is a position measurement value of the surface to be measured in a direction substantially along the optical axis of the irradiation optical system. Simultaneous measurement of shape and dynamic position.