JP2006242570A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 奥行き方向の分解能が高く、段差の比較的大きい測定対象物の表面形状を短時間で測定することが可能な表面形状測定装置を提供する。
【解決手段】 低コヒーレント光源１１から出射された物体光Ｌsと参照光Ｌrは、第１および第２の光波分割素子１４Ａ，１４Ｂによって複数の物体光Ｌs1〜Ｌs4および複数の参照光Ｌr1〜Ｌr4に分割され、参照光Ｌs1〜Ｌs4間に所定の光路長差が付与された後、各物体光Ｌs1〜Ｌs4と各参照光Ｌr1〜Ｌr4は第３のビームスプリッタ１２Ｃによってそれぞれ合波され、光検出器１７に入射する。光検出器１７は、物体光と参照光の光路長差に応じた電気信号を出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定対象物に光を照射し、測定対象物からの反射光を受けて測定対象物までの距離を測定し、測定対象物の形状を測定する表面形状測定装置に関する。

光を用いて物体の形状を測定する方法として、時間的コヒーレンスの低い光源から発生した光を物体上の一測定点に照射し、物体表面で反射した光が受光面に達するまでの飛行時間を測定することにより対象物の表面形状を計測することができる（例えば、特許文献１参照。）。

飛行時間の測定には、光源から発生した光を二つに分け、一つは被測定物に照射する物体光、もう一方は、飛行時間の基準となる参照光として用いる。物体光の飛行時間の測定には、物体光と参照光の光路長差が０になる点でのみ干渉信号あるいは相関信号が測定されることを利用する。

従って、被測定物の測定位置を順次変えながら、参照光の光路長を走査し、干渉信号あるいは相関信号の発生するときの参照光光路長を評価することにより、被測定物の各位置における物体光の光路長を測定することができ、各測定位置から反射された物体光の光路長差から被測定物の表面形状が分かる。

上記の表面形状測定方法において飛行時間を高精度に求めるためには、時間的コヒーレンスの非常に低い光源を用いる。例えば、スーパールミネセントダイオードや超短光パルス等が低コヒーレンス光源としてはよく用いられている。

従って、上記の光源を用いて被測定物の測定面内の各測定点に対して飛行距離の測定を順次行い、各測定点における物体光の飛行距離の違いにより被測定物の表面形状が精度良く得られる。

特開平１１−２４８４１２号公報（［００１５］、図１）

しかし、上記したような表面形状測定方法においては、測定に用いる光源の時間的コヒーレンスが低いために、可干渉距離が数１０μｍと短く、奥行き方向の分解能が高いが、段差の大きい測定物に対しては、段差の前後で参照光と物体光の光路長差を光源のコヒーレンス長以下にセッティングし直さなければならない。さらに、大きな段差が連続しているような形状の測定物に対しては、測定位置を変える度に参照光の走査範囲を変えなければならず、測定時間が長くなるという問題がある。このように、表面形状の測定時間が長くなると、例えば形状変化の激しい物体等においてはその表面形状を精度良く測定することはできない。

従って、本発明の目的は、奥行き方向の分解能が高く、段差の比較的大きい測定対象物の表面形状を短時間で測定することが可能な表面形状測定装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、同一の低コヒーレント光源から物体光と参照光を出射させ、前記物体光を測定対象物に照射して反射した物体光と前記参照光とを合波光学系によって合波した後、その合波光を光検出器で受光して前記測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置において、前記物体光あるいは前記参照光の光路長を所定の範囲で走査する光路長走査部と、前記測定対象物からの前記物体光、および前記参照光の光路の少なくとも一方に設けられ、入射した光束を複数の光束に分割する分割光学系とを備え、前記分割光学系は、分割する前記複数の光束間に所定の光路長差を付与するものであることを特徴とする表面形状測定装置を提供する。

上記構成によれば、同一の低コヒーレント光源から出射された物体光と参照光の少なくとも一方は、分割光学系によって複数の光束に分割され、さらに複数の光束間に所定の光路長差が付与された後、複数の光束と分割されていない物体光あるいは参照光はそれぞれ合波され、光検出器に入射する。光検出器は、物体光と参照光の光路長差に応じた電気信号を出力する。低コヒーレント光源を用いることにより、干渉信号あるいは相関信号の発生する距離が短くなり、奥行き方向の分解能が高くなる。また、分割光学系によって分割した光束の数に応じて測定範囲が広がる。このため、分解能を犠牲にせずに、測定可能範囲を大きくすることができる。また、大きな段差が連続するような測定対象物に対しても、測定時間をかけずに高分解能の表面形状測定が可能になる。

上記分割光学系は、測定対象物からの物体光、および参照光の光路の両方に設けられた一対の分割光学系であり、一対の分割光学系のうち一方の分割光学系は、分割する前記複数の光束間に所定の光路長差を付与する構成としてもよい。この構成によれば、ビーム径の等しい物体光と参照光を合波して検出することができるので、光利用効率が高くなる。

上記分割光学系は、互いに平行な入射面および出射面と、入射面および出射面に対して４５度に傾斜して積層された複数の平行透明板と、複数の平行透明板間の積層面の所定の位置に形成されたビームスプリッタ面および反射面とを備えた構成としてもよい。この構成によれば、製造が容易となり、高精度な分割光学系を作製することができる。

上記一方の分割光学系は、複数の平行透明板の厚さを調整することによって複数の光束間に所定の光路長差を付与する構成としてもよい。これにより、正確な光路長差を容易に得ることができる。

上記分割光学系は、合波光学系と一体化してもよい。これにより、位置調整が容易となり、光学系を小型にすることができる。また、振動等によって生じる光検出器からの出力信号の揺らぎを低減することができ、Ｓ／Ｎ比が向上する。

上記光検出器は、分割光学系によって分割された光束の数に応じた複数の光電変換素子を備え、複数の光電変換素子は、受光した合波光を物体光と参照光との光路長差に応じた電気信号に変換する構成としてもよい。この構成により、各光電変換素子から独立して電気信号が得られる。

上記光検出器は、物体光と参照光とが干渉したとき、その干渉強度に応じた干渉信号を出力するものを用いることができる。干渉法によれば、干渉信号を出力する検出素子だけで済むため、構成を簡素化することができる。また、微弱光でも干渉強度を検出することができる。

上記低コヒーレント光源は、コヒーレント長が数十μｍ程度のスーパールミネセントダイオードが一般に用いられているが、数μｍ程度の高い空間分解能のためには超短光パルスを出射するパルス光源を用いるのが好ましい。干渉範囲あるいは相関範囲が狭くなるため、高精度な測定が可能となる。

上記光検出器は、物体光と参照光の光路長差に応じた相関信号を出力するものを用いることができる。この場合、合波光を第２高調波に波長変換して光検出器に入射する非線形光学素子、二光子吸収によって励起された二光子誘起電流を出力する光検出器、参照光によって開動作して物体光を光検出器に入射するＫｅｒｒシャッター等を用いることができる。このような相関法によれば、振動等の外乱の影響を受け難いため、安定した測定が可能となる。

本発明の表面形状測定装置によれば、奥行き方向の分解能が高く、段差の比較的大きい測定対象物の表面形状を短時間で測定することが可能となる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る表面形状測定装置の構成を示す。この表面形状測定装置１０は、コヒーレンス長の短い光パルスＬを出射する低コヒーレンス光源１１と、低コヒーレンス光源１１から出射された光パルスＬを物体光Ｌsと参照光Ｌrとに分割する分割光学系としての第１のビームスプリッタ１２Ａとを有する。

また、物体光Ｌsの光路上に、第１のビームスプリッタ１２Ａからの物体光Ｌsの照射によリ測定対象物１３の表面で反射した物体光Ｌｓを後述する光検出器１８側に反射させる第２のビームスプリッタ１２Ｂと、第２のビームスプリッタ１２Ｂによって反射された物体光Ｌsを４本の平行な物体光Ｌs1〜Ｌs4に１次元状に分割する分割光学系としての第１の光波分割素子１４Ａとを配設している。

また、参照光Ｌrの光路上に、第１のビームスプリッタ１２Ａから反射ミラー１５ａ，１５ｂを介して出射された参照光Ｌrを所定の範囲で走査する光路長走査部１６と、光路長走査部１６によって走査された参照光Ｌrを反射ミラー１５ｃを介して導入し、４本の平行ビームの参照光Ｌr1〜Ｌr4に分割するとともに、参照光Ｌr1〜Ｌr4間に所定の光路長差を付与する分割光学系としての第２の光波分割素子１４Ｂとを配設している。

さらに、第１および第２の光波分割素子１４Ａ，１４Ｂから出射された各４本の物体光Ｌs1〜Ｌs4と参照光Ｌr1〜Ｌr4とをそれぞれ合波する合波光学系としての第３のビームスプリッタ１２Ｃと、第３のビームスプリッタ１２Ｃによって合波された光を受光し、その合波光を物体光と参照光との光路長差に応じた電気信号に変換する光検出器１７と、光検出器１７からの電気信号に基づいて測定対象物１３の表面までの距離情報を取得する信号処理部１８とを備える。

次に、この装置１０の各部の詳細を説明する。

低コヒーレンス光源１１は、モード同期チタンサファイアレーザやエルビウム又はイットリビウム添加モード同期ファイバーレーザ等のパルス光源を用いることができる。なお、パルス光源でなくてもコヒーレンス長の短い光源であれば、本発明の表面形状測定装置に適用可能であり、例えば、スーパールミネセントダイオードやマルチモードの端面発光半導体レーザ、マルチモード面発光レーザ等を用いてもよい。

光路長走査部１６は、導入した参照光Ｌrを反射する一対の反射ミラー１６０ａ，１６０ｂからなる可動部１６０と、可動部１６０を駆動するピエゾ素子やモータ等を有し、可動部１６０の位置信号を出力する駆動部１６１とを備え、入出射光の平行度を保ちながら高精度な走査が可能になっている。可動部１６０の走査分解能は、光源１１のパルス幅に光伝搬速度（３×１０^８ｍ／ｓ）を適用して距離に換算した値より小さくするのが好ましい。例えば、パルス幅（半値全幅）１００ｆｓ程度の光パルスＬを用いるときは、そのパルス幅を距離に換算すると３０μｍとなり、光路長変化量は可動部１６０の走査量の２倍であるから、可動部１６０の走査分解能は１５μｍ以下とする。また、光路長走査部１６は、参照光Ｌrと物体光Ｌsの光路長がほぼ等しくなるように調整するのにも用いられる。

光検出器１７は、４本の物体光Ｌs1〜Ｌs4と４本の参照光Ｌr1〜Ｌr4それぞれが合波された４本の合波光をそれぞれ独立して受光できるように４つの光電変換素子１７０ａ〜１７０ｄを１次元アレイ状に配置したものである。各光電変換素子１７０ａ〜１７０ｄは、物体光と参照光の光路長差に応じた電気信号、すなわち物体光と参照光の光路長差がほぼ０になったときに物体光と参照光とが干渉し、その干渉光強度に応じた干渉信号を出力する。なお、光検出器１７は、ＣＣＤカメラのような面型光電変換素子であって、合波された複数の光束それぞれが照射された画素からの信号を独立に処理できるものでも良い。

（光波分割素子）
図２は、第１および第２の光波分割素子１４Ａ，１４Ｂの詳細な構成を示す。この光波分割素子１４Ａ，１４Ｂとして、特開２００４−２１２９７９号公報に開示されている光波分割プリズムを用いることができる。すなわち、光波分割素子１４Ａ，１４Ｂは、入射端面１４０ａを有する第１のブロック１４０と、出射端面１４１ａを有し、この出射端面１４０ａが入射端面１４１ａと平行となるように第１のブロック１４０に接合された第２のブロック１４１とを備える。

第１および第２のブロック１４０，１４１は、複数の平板状の透明媒質１４２を積層して略直方体状に形成されており、適宜の位置にハーフミラー１４３ａ〜１４３ｄと全反射ミラー１４４ａ〜１４４ｉが配設されている。第１のブロック１４０の入射端面１４０ａに入射した光束は、ハーフミラー１４３ａ〜１４３ｄで透過あるいは反射した後、全反射ミラー１４４ａ〜１４４ｉで反射して第２のブロック１４１の出射端面１４１ａから第１乃至第４の光路上に分割されて出射する。

このように構成された光波分割素子は、各透明媒質１４２の厚さを所定の調整設定することにより、出射端面１４１ａからの４本の光束の出射タイミングを制御することができる。

すなわち、光波分割素子内で４本の光束の光路長が等しくなるように各透明媒質１４２の厚さを調整することにより、４つの物体光Ｌs1〜Ｌs4の出射タイミングが同時の第１の光波分割素子１４Ａを構成することができる。

また、光波分割素子内で４本の光束間に光路長差を有するように各透明媒質１４２の厚さを調整することにより、４つの参照光Ｌr1〜Ｌr4の出射タイミングが異なる第２の光波分割素子１４Ｂを構成することができる。本実施の形態では、４本の光束間に１ｐｓごと（空気中での伝搬距離に換算すると３００μｍ）の光路長差がそれぞれ付加されている。従って、光路長走査部１６の走査距離を１５０μｍ（光路長にして３００μｍ）とすることにより、測定対象物１３の凹凸を連続的に測定することが可能になる。

なお、分割数は４本に限定されず、任意の数に分割することができる。例えば、上述した１次元状に４分割する光波分割素子を２つ組み合わせることにより、入射された光束を２次元状に１６分割して出射する光波分割素子を簡単に構成することができる。

（信号処理部）
信号処理部１８は、光検出器１７の干渉信号を出力した光電変換素子１７０ａ〜１７０ｄを特定し、その干渉信号がピークになったときに光路長走査部１６から出力された位置信号に基づいて、測定対象物１３までの距離情報としての参照光の光路長、すなわち物体光の光路長を取得する。

（第１の実施の形態の動作）
次に、第１の実施の形態の動作を図３を参照して説明する。図３は、第３のビームスプリッタ１２Ｃによって合波された複数の物体光と複数の参照光の受光タイミングを示すタイミングチャートである。なお、同図において、Ｓは光路長走査部１６による走査範囲を示す。

低コヒーレンス光源１１から光パルスＬが出射されると、その光パルスＬは、第１のビームスプリッタ１２Ａによって物体光Ｌsと参照光Ｌrとに分波される。物体光Ｌsは、第２のビームスプリッタ１２Ｂを透過して測定対象物１３に照射され、測定対象物１３表面で反射した後、その物体光Ｌsの一部が第２のビームスプリッタ１２Ｂで反射して第１の光波分割素子１４Ａに入射し、第１の光波分割素子１４Ａによって４つの物体光Ｌs1〜Ｌs4に分割されて第３のビームスプリッタ１２Ｃに入射する。

一方、第１のビームスプリッタ１２Ａからの参照光Ｌrは、光路長走査部１６によって所定の光路長が走査された後、第２の光波分割素子１４Ｂに入射し、第２の光波分割素子１４Ｂによって光束間に所定の光路長差が付与された４つの参照光Ｌr1〜Ｌr4に分割されて第３のビームスプリッタ１２Ｃに入射する。

第１の光波分割素子１４Ａからの物体光Ｌs1〜Ｌs4と第２の光波分割素子１４Ｂからの参照光Ｌr1〜Ｌr4は、第３のビームスプリッタ１２Ｃによってそれぞれ合波され、光検出器１７の光電変換素子１７０ａ〜１７０ｄに入射する。

第１の光波分割素子１４Ａ内の４つの光路長は全て等しいので、第１の光波分割素子１４Ａによって４つに分割された物体光Ｌs1〜Ｌs4は、４つの光路上のすべてにおいて同じタイミングで伝搬している。

それに対して第２の光波分割素子１４Ｂによって分割された４つの参照光Ｌr1〜Ｌr4は、第２の光波分割素子１４Ｂ内の４つの光路長間に１ｐｓ相当の光路長差が付与されているので、４つの参照光Ｌr1〜Ｌr4はそれぞれタイミングがずれて伝搬している。

従って、図３（ａ）に示すように、物体光Ｌsが測定対象物１３の凸部の表面領域（１）１３ａを測定している場合には、４つの光路のうち第２の光路Ｒ2のみが干渉しているとき、第２の光路Ｒ2に対応する光検出器１７の光電変換素子１７０ｂのみが干渉信号を出力する。

信号処理部１８は、干渉信号を出力した光電変換素子１７０ｂを特定し、光検出器１７の光電変換素子１７０ｂからの干渉信号がピークになったときに光波長走査部１６から出力された位置信号に基づいて、測定対象物１３の凸部の表面領域（１）１３ａまでの距離情報を取得する。

測定対象物１３が載置された図示しないｘｙテーブルを動作させて測定対象物１３の位置を変えて凹部の表面領域（２）１３ｂに物体光Ｌsが照射するようにすると、物体光の光路長が長くなり、物体光の到達時間が遅くなる。このとき、測定対象物１３の凹凸が大きく、上記光路長走査部１６の走査範囲Ｓの２倍以上である場合は、図３（ｂ）に示すように、第２の光路Ｒ2では干渉信号が発生しなくなり、代わりに第３の光路Ｒ3に対応する光電変換素子１７０ｃが干渉信号を出力する。

信号処理部１８は、干渉信号を出力した光電変換素子１７０ｃを特定し、光電変換素子１７０ｃからの干渉信号がピークになったときに光路長走査部１６から出力された位置信号に基づいて、測定対象物１３の凹部の表面領域（２）１３ｂまでの距離情報を取得する。このように、測定位置が凸部から凹部に移動したときに、参照光の走査範囲を再設定しなくても、凸部測定時とは異なる光路において干渉信号を得ることができる。例えば、第２の光路Ｒ2を基準とした場合、凸部測定時の物体光光路長をＬ_０［μｍ］、凹部測定時の物体光光路長をＬ_１［μｍ］とすると、測定対象物１３の段差はＬ_１＋３００−Ｌ_０から評価することができる。

その後は、同様にして図示しないｘｙテーブルを動作させて測定対象物１３の表面全体に物体光Ｌsを照射して測定対象物１３までの距離情報を取得することにより、測定対象物１３の表面形状を測定することができる。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、低コヒーレンス光源１１を用いているので、奥行き方向の分解能が高くなる。また、物体光と参照光をそれぞれ４つに分割し、４つに分割された参照光間に所定の光路長差を付与しているので、光路長走査部１６の走査範囲の４倍までの段差（本実施の形態では１２００μｍ）まで走査範囲を変えずに測定することができ、測定時間の短縮化が可能となる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る表面形状測定装置を示す。この第２の実施の形態に係る表面形状測定装置１０は、第１の実施の形態の第３のビームスプリッタ１２Ｃの代わりにキューブ型ビームスプリッタ１９を用い、このキューブ型ビームスプリッタ１９と第１および第２の光波分割素子１４Ａ，１４Ｂとを一体化したものであり、他は第１の実施の形態と同様に構成されている。

キューブ型ビームスプリッタ１９と第１および第２の光波分割素子１４Ａ，１４Ｂは、同一のガラス材料から形成され、キューブ型ビームスプリッタ１９の一方の入射端面と第１の光波分割素子１４Ａの出射端面とを光学的に接着し、キューブ型ビームスプリッタ１９の他方の入射端面と第１の光波分割素子１４Ａの出射端面とを光学的に接着して一体化する。接着剤は、接合面での損失を少なくするため、ガラス材料と同程度の屈折率を有するものが好ましい。

この第２の実施の形態によれば、光波分割素子１４Ａ，１４Ｂとキューブ型ビームスプリッタ１９とを一体化しているので、装置全体の小型化が図れ、光波分割素子１４Ａ，１４Ｂによって分割された個々の物体光と参照光を空間的に精度良く重ね合わせる際の調整が容易となり、コスト削減が可能となる。また、光学系を小型化することにより、干渉信号を取得する際の振動等により生じる干渉信号の揺らぎを低減することができるので、干渉測定におけるＳ／Ｎ比が向上する。

なお、上記実施の形態では、光波分割素子１４Ａ，１４Ｂとキューブ型ビームスプリッタ１９を一体化したが、キューブ型ビームスプリッタ１９にさらに光検出器１７を一体化することも可能である。このとき、キューブ型ビームスプリッタ１９から出射される物体光と参照光の合波光束のそれぞれが光検出器１７の所望の位置に照射されるように接着すればよい。

［第３の実施の形態］
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る表面形状測定装置の合波光学系と光検出器との間の構成を示す。この第３の実施の形態は、パルス幅がピコ秒〜フェムト秒程度の超短パルスを出力する低コヒーレンス光源１１を用い、ＳＨＧ(second harmonic generation)強度相関法により表面形状を測定するものである。

この第３の実施の形態は、合波光学系として、第３のビームスプリッタ１２Ｃからの個々の合波光束を受光し、合波光を第２高調波（ＳＨ）に波長変換する非線形光学素子２０Ａと、非線形光学素子２０Ａの前段に設けられ、第３のビームスプリッタ１２Ｃからの個々の合波光束を非線形光学素子２０Ａの異なる部分に集光するレンズアレイ２１Ａと、非線形光学素子２０の後段に設けられ、非線形光学素子２０の出力光を平行光束にするレンズアレイ２１Ｂと、第２高調波（ＳＨ）光のみを透過させるフィルタ２２とを備え、他は第１の実施の形態と同様に構成されている。

非線形光学素子２０Ａは、物体光と参照光の光路長が等しくなったときに強い第２高調波（ＳＨ）光を発生するものであり、例えば、ＫＨ_２ＰＯ_４（ＫＤＰ）、β‐ＢａＢ_２Ｏ_４（ＢＢＯ）、ＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）等から形成される。なお、使用する光源の波長、位相整合条件に合わせて結晶面をカットした非線形光学結晶を用いることが望ましい。

この第３の実施の形態によれば、パルス幅がピコ秒〜フェムト秒程度の超短パルスを用いているので、測定対象物の表面形状を高分解能で測定することができる。また、光パルスの先頭出力が高くなり非線形光学効果を利用した相関計測が容易になる。非線形光学効果を利用した相関計測では、干渉測定と異なり、物体光と参照光の強度相関を測定することになるので、光パルスの位相情報がなくなり、機械的な振動などの影響が少なくなる。
また、光検出器１７の前段にＳＨ光のみを透過させるフィルタ２２を配置しているので、形状測定におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。

なお、タイプ−I位相整合条件に対しては物体光と参照光の偏光方向を平行、タイプ−II位相整合条件に対しては物体光と参照光の偏光方向を直交させるというように位相整合条件が満たされるように物体光と参照光の偏光方向を調整することが望ましい。これにより、ＳＨ光を効率よく発生させることができる。

［第４の実施の形態］
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る表面形状測定装置の合波光学系と光検出器との間の構成を示す。この第４の実施の形態は、パルス幅がピコ秒〜フェムト秒程度の超短パルスを出力する低コヒーレンス光源１１を用い、二光子吸収により表面形状を測定するものである。

この第４の実施の形態は、使用する光源１１から発生する光の光子エネルギーの２倍付近にバンドギャップを有するフォトダイオードを用いて光検出器１７の各光電変換素子１７０ａ〜１７０ｄを構成し、光検出器１７の前段にレンズアレイ２１Ｂを配置している。

光電変換素子１７０ａ〜１７０ｄを構成するフォトダイオードは、物体光と参照光の光路長が等しくなるときに生じる二光子吸収によって強い二光子誘起電流を出力するものであり、その材料としては、ＺｎＳｅ、ＧａＡｓＰ、Ｓｉ等を用いることができる。

この第４の実施の形態によれば、フォトダイオードが相関信号を発生させる素子と光電変換素子を兼ねているので、光学系の構成が簡単になる。また、例えば、ＳｉＣＣＤカメラのような面型受光素子も用いれば、フォトダイオードをアレイ状に配する必要もなくなり、装置全体の小型化、光学系の調整の簡便化が可能になる。

なお、ＳＨＧ強度相関法に用いた非線形光学素子の代わりにフォトダイオードを用いても、物体光と参照光の相関信号を測定することができる。

［第５の実施の形態］
図７は、本発明の第５の実施の形態に係る表面形状測定装置を示す。この第５の実施の形態は、パルス幅がピコ秒〜フェムト秒程度の超短パルスを出力する低コヒーレンス光源１１を用い、Ｋｅｒｒシャッターにより表面形状を測定するものである。

この第５の実施の形態は、第３の実施の形態において、第１および第２のビームスプリッタ１２Ａ，１２Ｂ間に物体光Ｌsの波長を変換する波長変換部２７を配置し、合波光学系として、第１の光波分割素子１４Ａと第３のビームスプリッタ１２Ｃとの間に配置され、第１の光波分割素子１４Ａから出射された物体光Ｌs1〜Ｌs4を直線偏光にする偏光子２３と、非線形光学素子２０Ｂの後段に配置され、偏光子２３と偏光軸が直交する検光子２４とを備え、第２の光波分割素子１４Ｂの直後に、第２の光波分割素子１４Ｂから出射された参照光Ｌr1〜Ｌr4の偏光方向を偏光子２３による偏光方向に対して４５度傾斜した方向に傾ける半波長板２５を配置し、非線形光学素子２０Ｂに物体光と参照光が同時に入射した時に物体光の偏光状態を変化させ、検光子２４を透過させる光スイッチを用い、他は第３の実施の形態と同様に構成されている。なお、非線形光学素子２０、偏光子２３および検光子２４によりＫｅｒｒシャッターを構成する。

（非線形光学素子）
Ｋｅｒｒシャッターに用いられる非線形光学素子２０Ｂとしては、面型で、かつ実用上好適な非線形光学特性を有し、シャッターの開閉時間が使用している光パルスのパルス幅程度に短く、化学的、熱的、及び光学的に安定であることが望ましい。以上のような観点から、非線形光学素子２０Ｂとしては、例えば、特開平１１−２８２０３４号公報に開示されているようなスクエアリリウムＪ会合体からなる色素会合体薄膜、特開２０００−３１４９０１号公報に開示されているような、二光子吸収による光学特性変化を生じるスクエアリリウム色素等からなる色素会合体膜を用いることができ、その他に、高速応答性を持つ光スイッチ材料として、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ等の半導体、フタロシアニン類の色素、ポリジアセチレンやポリチオフェン等のπ共役系高分子、Ｃ６０やＣ７０等のフラーレン薄膜などを用いることができる。

（第５の実施の形態の動作）
次に、この第５の実施の形態の動作を説明する。第１の光波分割素子１４Ａによって分割された物体光Ｌs1〜Ｌs4は、偏光子２３によって直線偏光にされた後、第３のビームスプリッタ１２Ｃを介してレンズアレイ２１Ａにより非線形光学素子２０に集光される。一方、第２の光波分割素子１４Ｂによって分割された参照光Ｌr1〜Ｌr4は、半波長板２５によって偏光方向が傾けられた後、第３のビームスプリッタ１２Ｃで反射し、レンズアレイ２１Ａにより非線形光学素子２０上の各物体光Ｌs1〜Ｌs4の照射位置にそれぞれ集光される。その後、各物体光Ｌs1〜Ｌs4は、レンズアレイ２１Ｂで平行光束に戻された後、検光子２４に導入される。

非線形光学素子２０への物体光と参照光との入射タイミングがずれると、非線形光学素子２０に異方性が誘起されずに、物体光は検光子２４を透過しない。物体光の偏光方向に対して約４５度傾いた直線偏光の参照光が物体光と同時に非線形光学素子２０に入射すると、非線形光学素子２０に異方性が誘起され、物体光の偏光状態が変化し、検光子２４を透過する。検光子２４を透過した物体光は、物体光のみを透過させるフィルタ２２を介して光検出器１７に入射する。

Ｋｅｒｒシャッターの透過率は、物体光と参照光の光路長が等しくなるときに最も大きくなるので、Ｋｅｒｒシャッターを透過する各物体光Ｌs1〜Ｌs4の光量を光検出器１７で測定することにより物体光と参照光の相関信号を測定することができる。

（第５の実施の形態の効果）
この第５の実施の形態によれば、パルス幅がピコ秒〜フェムト秒程度の超短パルスを用いており、かつＫｅｒｒシャッターは電気シャッターと比較して高速に応答するため、表面形状を高分解能で測定することができる。

なお、上記の構成では、偏光子２３と半波長板２５はそれぞれ光波分割素子１４Ａ，１４Ｂの直後に配置されているが、直前に配置しても構わない。

本実施の形態においては、参照光は常に検光子２４を透過することができ、光検出器１７のバックグラウンドレベルを増大させ、Ｓ／Ｎ比を劣化させる。そこで、物体光あるいは参照光の波長を変換し、光検出器１７の前段に物体光のみを透過させるフィルタ２２を配置することが望ましい。波長変換部２７としては、光ファイバーのラマン増幅、または非線形結晶による高調波発生が用いられる。このとき、ビームスプリッタ１２Ｃの代わりに参照光の波長に対しては反射率が高く、物体光の波長に対しては透過率が高くなるようなダイクロイックミラーを用いることもでき、これにより、物体光と参照光それぞれの利用効率を高めることができる。

［第６の実施の形態］
図８は、本発明の第６の実施の形態に係る表面形状測定装置を示す。この第６の実施の形態は、透過型Ｋｅｒｒシャッターを用いた第５の実施の形態に対して反射型Ｋｅｒｒシャッターを用いたものであり、非線形光学素子２０Ｂの裏面に入射物体光を反射させるための反射層２６を設け、偏光子２３と第３のビームスプリッタ１２Ｃとの間に第４のビームスプリッタ１２Ｄを配置し、非線形光学素子２０Ｂの反射層２６で反射した光を第４のビームスプリッタ１２Ｄで反射させ、検光子２４およびフィルタ２２を介して光検出器１７で検出するようにしたものであり、他は第５の実施の形態と同様に構成されている。

この構成において、レンズアレイ２１Ａで集光された各物体光Ｌs1〜Ｌs4は、非線形光学素子２０Ｂの裏面の反射層２６で反射されて再びレンズアレイ２１Ａに戻り、平行光束となる。その後、第３のビームスプリッタ１２Ｃを透過し、第４のビームスプリッタ１２Ｄによって反射され、検光子２４によって偏光状態が変化した成分だけが透過して光検出器１７で光電変換される。

この第６の実施の形態によれば、物体光Ｌs1〜Ｌs4は非線形光学素子２０を往復するため、実効的に非線形光学素子２０Ｂの長尺化が図られ、Ｋｅｒｒシャッターのスイッチング効率が向上させることができる。また、一つのレンズアレイ２１Ａで各合波光束の集光と平行光束化が行えるので、光学系の簡素化・小型化、調整時間の短縮が可能になる。
さらに、物体光の偏光方向をＰ偏光とし、ビームスプリッタ１２Ｄの代わりに偏光ビームスプリッタを用いることにより、物体光を非線形光学素子に照射するとき、および非線形光学素子から反射された物体光から偏光状態が変化した成分のみを取り出すときの損失を少なくすることができる。

［第７の実施の形態］
図９は、本発明の第７の実施の形態に係る表面形状測定装置を示す。この第７の実施の形態は、図８に示す反射型Ｋｅｒｒシャッターを、図４に示す第２の実施の形態と同様に一体化したものであり、図８に示すプレート型の第３および第４のビームスプリッタ１２Ｃ，１２Ｄの代わりに第１および第２のキューブ型ビームスプリッタ１９Ａ，１９Ｂを用い、第１の光波分割素子１４Ａと第２のキューブ型ビームスプリッタ１９Ｂ、および第２の光波分割素子１４Ｂと第１のキューブ型ビームスプリッタ１９Ａとを光学的に接着して一体化している。

（第７の実施の形態）
この第７の実施の形態によれば、第１および第２の光波分割素子１４Ａ，１４Ｂと第１および第２のビームスプリッタ１９Ａ，１９Ｂとを一体化しているので、装置全体の小型化が図れ、光波分割素子１４Ａ，１４Ｂによって分割された個々の物体光と参照光を空間的に精度良く重ね合わせる際の調整が容易となり、コスト削減が可能となる。

なお、上記実施の形態では、第１および第２の光波分割素子１４Ａ，１４Ｂ、第１および第２のキューブ型ビームスプリッタ１９Ａ，１９Ｂのみを一体化しているが、レンズアレイと非線形光学素子２０Ｂに関しても一体化して、さらなる小型化が可能である。

［第８の実施の形態］
図１０は、本発明の第８の実施の形態に係る表面形状測定装置を示す。第１の実施の形態では、測定対象物１３から反射した物体光Ｌsおよび参照光Ｌrの両方の光路に第１および第２の光波分割素子１４Ａ，１４Ｂを配置したが、この第８の実施の形態は、測定対象物１３から反射した物体光Ｌsの光路にのみ光波分割素子１４Ｃを配置し、第３のビームスプリッタ１２Ｃの前段に参照光Ｌrのビーム径を拡大する拡大光学系２８を配置したものである。

光波分割素子１４Ｃは、測定対象物１３からの物体光Ｌsを複数の物体光Ｌsに分割するとともに、分割する複数の物体光Ｌs間に所定の光路長差を付与するものであり、第１の実施の形態の第２の光波分割素子１４Ｂと同様に構成されている。

（受光動作）
図１１は、第３のビームスプリッタ１２Ｃによって合波された複数の物体光と単一の参照光の受光タイミングを示すタイミングチャートである。なお、同図において、Ｓは光路長走査部１６による走査範囲を示す。

光波分割素子１４Ｃによって分割された４つの物体光Ｌs1〜Ｌs4は、光波分割素子１４Ｃ内の４つの光路長間に１ｐｓ相当の光路長差が付与され、４つの参照光Ｌs1〜Ｌs4はそれぞれタイミングがずれて伝搬し、光検出器１７に入射する。

一方、参照光Ｌrは、４つの光路Ｒ1〜Ｒ4を伝搬する４つの参照光Ｌs1〜Ｌs4を光ビーム内に含むように拡大光学系２８によって拡大されて光検出器１７に入射する。

従って、図１１（ａ）に示すように、物体光Ｌsが測定対象物１３の凸部の表面領域（１）１３ａを測定している場合には、４つの光路のうち第２の光路Ｒ2のみが干渉しているとき、第２の光路Ｒ2に対応する光検出器１７の光電変換素子１７０ｂのみが干渉信号を出力する。

測定対象物１３の凹部の表面領域（２）１３ｂに物体光Ｌsが照射するようにすると、物体光の光路長が長くなり、物体光の到達時間が遅くなる。このとき、測定対象物１３の凹凸が大きく、上記光路長走査部１６の走査範囲Ｓの２倍以上である場合は、図１１（ｂ）に示すように、第２の光路Ｒ2では干渉信号が発生しなくなり、代わりに第３の光路Ｒ3に対応する光電変換素子１７０ｃが干渉信号を出力する。

この第８の実施の形態によれば、第１の実施の形態と比較して光利用効率の点で劣るものの第１の実施の形態と同様に、奥行き方向の分解能が高くなり、光路長走査部１６の走査範囲の４倍までの段差まで走査範囲を変えずに測定することができ、測定時間の短縮化が可能となる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲内で種々に変形実施が可能である。例えば、各実施の形態の構成要素を本発明の要旨を変更しない範囲内で任意に組み合わせることは可能である。

上記第１乃至第８の実施の形態では、測定対象物１３から反射して戻ってきた物体光３ｃを光波分割素子１４Ａに導入する際に、第２のビームスプリッタ１２Ｂを用いたが、この場合、ビームスプリッタ１２Ｂにおける損失のみで物体光３ｃの光量が１／４に減少してしまう。そこで、ビームスプリッタ１２Ｂの代わりに偏光ビームスプリッタを用い、偏光ビームスプリッタと測定対象物１３の間に１／４波長板を配置することによって損失を少なくすることができる。

また、上記第１乃至第８の実施の形態では、光波分割素子１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの分割数は４つであったが、これに限定されるものではなく、例えば、１６分割なども可能である。

また、物体光を測定対象物に照射する場合、測定物表面の解像度を上げるためにレンズなどを用いて集光した物体光を測定対象物に照射しても良い。

また、上記第１乃至第８の実施の形態では、光路長走査部１６を参照光光路中に配置したが、物体光光路中に配置しても同様な効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態に係る表面形状測定装置の構成を示す図である。 第１および第２の光波分割素子の詳細な構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における複数の物体光と複数の参照光の受光タイミングを示し、（ａ）は測定対象物の表面領域（１）の測定時、（ｂ）は測定対象物の表面領域（２）の測定時のタイミングチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る表面形状測定装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る表面形状測定装置の要部構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る表面形状測定装置の要部構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る表面形状測定装置の構成を示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係る表面形状測定装置の構成を示す図である。 本発明の第７の実施の形態に係る表面形状測定装置の構成を示す図である。 本発明の第８の実施の形態に係る表面形状測定装置の構成を示す図である。 本発明の第８の実施の形態における複数の物体光と単一の参照光の受光タイミングを示し、（ａ）は測定対象物の表面領域（１）の測定時、（ｂ）は測定対象物の表面領域（２）の測定時のタイミングチャートである。

符号の説明

１０ 表面形状測定装置
１１ 低コヒーレンス光源
１２Ａ 第１のビームスプリッタ
１２Ｂ 第２の ビームスプリッタ
１２Ｃ 第３の ビームスプリッタ
１２Ｄ 第４の ビームスプリッタ
１３ 測定対象物
１３ａ 表面領域（１）
１３ｂ 表面領域（２）
１４Ａ 第１の 光波分割素子
１４Ｂ 第２の 光波分割素子
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 反射ミラー
１６ 光波長走査部
１７ 光検出器
１８ 信号処理部
１９ キューブ型ビームスプリッタ
１９Ａ 第１のキューブ型ビームスプリッタ
１９Ｂ 第２のキューブ型ビームスプリッタ
２０，２０Ａ，２０Ｂ 非線形光学素子
２１Ａ，２１Ｂ レンズアレイ
２２ フィルタ
２３ 偏光子
２４ 検光子
２５ 半波長板
２６ 反射層
２７ 波長変換部
２８ 拡大光学系
１４０ 第１のブロック
１４０ａ 入射端面
１４１ 第２のブロック
１４１ａ 出射端面
１４２ 透明媒質
１４３ａ〜１４３ｄ ハーフミラー
１４４ａ〜１４４ｉ 全反射ミラー
１６０ 可動部
１６０ａ，１６０ｂ 反射ミラー
１６１ 駆動部
１７０ａ〜１７０ｄ 光電変換素子
Ｌ 光パルス
Ｌs 物体光
Ｌs1-Ｌs4 物体光
Ｌr 参照光
Ｌr1-Ｌr4 参照光

Claims (12)

1. 同一の低コヒーレント光源から物体光と参照光を出射させ、前記物体光を測定対象物に照射して反射した物体光と前記参照光とを合波光学系によって合波した後、その合波光を光検出器で受光して前記測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置において、
   前記物体光あるいは前記参照光の光路長を所定の範囲で走査する光路長走査部と、
   前記測定対象物からの前記物体光、および前記参照光の光路の少なくとも一方に設けられ、入射した光束を複数の光束に分割する分割光学系とを備え、
   前記分割光学系は、分割する前記複数の光束間に所定の光路長差を付与するものであることを特徴とする表面形状測定装置。
2. 前記分割光学系は、前記測定対象物からの前記物体光、および前記参照光の光路の両方に設けられた一対の分割光学系であり、
   前記一対の分割光学系のうち一方の分割光学系は、分割する前記複数の光束間に所定の光路長差を付与するものであることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. 前記分割光学系は、互いに平行な入射面および出射面と、前記入射面および前記出射面に対して４５度に傾斜して積層された複数の平行透明板と、前記複数の平行透明板間の積層面の所定の位置に形成されたビームスプリッタ面および反射面とを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
4. 前記一方の分割光学系は、前記複数の平行透明板の厚さを調整することによって前記複数の光束間に所定の光路長差を付与するものであることを特徴とする請求項３に記載の表面形状測定装置。
5. 前記分割光学系は、前記合波光学系と一体化されたものであることを特徴とする請求項３に記載の表面形状測定装置。
6. 前記光検出器は、前記分割光学系によって分割された前記光束の数に応じた複数の光電変換素子を備え、前記複数の光電変換素子は、受光した前記合波光を前記物体光と前記参照光との光路長差に応じた電気信号に変換することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
7. 前記光検出器は、前記物体光と前記参照光とが干渉したとき、その干渉強度に応じた干渉信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
8. 前記低コヒーレント光源は、光パルスを出射するパルス光源であることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
9. 前記光検出器は、前記物体光と前記参照光の光路長差に応じた相関信号を出力することを特徴とする請求項８に記載の表面形状測定装置。
10. 前記合波光学系は、前記合波光を第２高調波に波長変換して前記光検出器に入射する非線形光学素子を備えたことを特徴とする請求項８に記載の表面形状測定装置。
11. 前記光検出器は、二光子吸収によって励起された二光子誘起電流を出力するものであることを特徴とする請求項８に記載の表面形状測定装置。
12. 前記合波光学系は、前記参照光によって開動作して前記物体光を前記光検出器に入射するＫｅｒｒシャッターを備えたことを特徴とする請求項８に記載の表面形状測定装置。