JP2006337103A - 光学測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光の利用効率を高め、測定時間の短縮が可能な光学測定装置を提供する。
【解決手段】 マイクロレンズアレイ２３と、ビームスプリッタ２１と、ピンホールアレイ２２と、を備えて構成される光走査部２０を備え、マイクロレンズアレイ２３に照射される平行光を、各マイクロレンズにて収束してピンホールアレイ２２の対応するピンホールＰを通過させた後に、対物レンズ１３にて集光させて測定対象物Ｗに照射し、測定対象物Ｗからの正反射光が対物レンズ１３を介してピンホールＰを通過し、ビームスプリッタ２１を透過した後に、マイクロレンズアレイ２３を通さずに、結像レンズ１６を介して撮像手段１７の撮像面１７Ａに結像する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学測定装置に関する。

従来より測定対象物の表面形状を測定可能な形状測定装置が知られている。
この種のものには、特許文献１に示すように、平行光を投光する照明光学系１と、規則的に配列された多数のピンホールを有し、照明光学系１からの平行光が表面に照射される共焦点開口アレイ３と、前記平行光の進行方向と直交する方向に共焦点開口アレイ３を移動可能なリニアアクチュエータ９とを備えたものがある。

そして、照明光学系１から出射された平行光が共焦点開口アレイ３に照射されると、一部の光が共焦点開口アレイ３のピンホールを通過し、対物レンズ４により収束されて測定対象物に照射される。また、測定対象物で反射した光は、対物レンズ４を介してピンホールを通過し、ビームスプリッタに照射される。ビームスプリッタに照射された光は一部が反射して２次元ＣＣＤ等からなる検出器７に照射されるようになっており、これにより測定対象物表面の照射位置における表面高さを測定できるようになっている。ここからリニアアクチュエータ９を駆動させると、共焦点開口アレイ３が側方に移動し、測定対象物表面に照射される光の位置が変わるから、検出器７の受光位置（具体的には、受光位置及び受光信号強度）に基づき測定対象物の２次元的な形状を測定できるようになっている。
特開２００３−２４７８１７公報

しかしながら、上記構成では、照明光学系１から出射された平行光のうち、一部の光のみがピンホールを通過し、他の大半の光はピンホールアレイの表面にて反射するため、光の利用効率が悪くなっていた。また、２次元ＣＣＤのような撮像手段を用いて反射光を撮像する場合には、検出が可能となるだけの光量が必要になるが、ピンホールを通過する光のみでは撮像手段に到達する光の光量が弱くなる。したがって、共焦点開口アレイ３の移動速度が速い場合には、撮像手段に短時間のみしか照射されず測定可能な光量を得られないため、共焦点開口アレイ３の移動速度を遅くする必要があり、測定の高速化が困難となっていた。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、光の利用効率を高め、測定時間の短縮が可能な光学測定装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明に係る光学測定装置は、平行光を投光する投光手段と、
前記投光手段からの平行光の照射領域に配され、前記平行光を収束する投光収束レンズ群と、
前記投光収束レンズ群の各投光収束レンズの略焦点位置に前記各投光収束レンズと対応するピンホールが配されるピンホールアレイと、
前記ピンホールを通過した光を測定対象物に集光させるとともに、前記測定対象物からの反射光を前記ピンホールに集光させる集光手段と、
前記投光収束レンズ群と前記ピンホールアレイとの間の光路に配され、前記ピンホールアレイを通過した前記反射光を前記投光収束レンズ群とは異なる方向に分岐させる光分岐手段と、
前記光分岐手段により前記投光収束レンズ群とは異なる方向に分岐された光を結像させる結像レンズと、
前記結像レンズからの光を撮像面上にて撮像する撮像手段と、
前記測定対象物と、前記集光手段にて前記測定対象物側に集光される光の焦点位置と、の前記ピンホールの軸方向における相対的な位置を変更可能な焦点位置変更手段と、
前記投光収束レンズ群と、前記光分岐手段と、前記ピンホールアレイと、を備えて構成される光走査部を、前記ピンホールの軸方向と直交する方向に移動可能な走査用移動手段と、
前記焦点位置変更手段及び前記走査用移動手段の駆動により変化する前記撮像手段に照射される光の焦点位置（具体的には、照射される光の受光位置及びその光強度）に基づいて前記測定対象物の形状を測定する測定手段と、を備える構成としたところに特徴を有する。
なお、「光分岐手段」には、光の照射時に実際に光を分割（分岐）するものに限らず、光を分割（分岐）せずに、ピンホールアレイを通過した反射光を投光収束レンズ群とは異なる方向に導く「導光手段」のように、光の経路を変えるものも含まれる。例えば、偏光光分岐手段（偏光ビームスプリッタ等）を用いて、特定の偏光（例えば、Ｐ偏光）を反射して光の経路を変え、他の偏光（例えば、Ｓ偏光）を透過するものであってもよい。

請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記投光手段及び前記投光収束レンズ群は、前記投光手段からの投光され前記投光収束レンズ群を透過した光が、前記光分岐手段にて略直交方向に光路が変更されるように配されているところに特徴を有する。つまり、投光光軸と平行な方向に光走査部が走査される。
具体的には、請求項１に記載のものにおいて、前記投光手段及び前記投光収束レンズ群は、前記投光手段からの投光され前記投光収束レンズ群を透過した光が、前記走査用移動手段による前記光走査部の移動方向に沿う方向から前記光分岐手段に照射され、前記光分岐手段にて略直交方向に光路が変更されて測定対象物Ｗに向かうとともに、前記測定対象物Ｗからの反射光は、前記光分岐手段を透過して撮像手段に照射されるように配されているところに特徴を有する構成としてもよい。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のものにおいて、前記投光手段は、
光を出射する光源と、
前記光源からの光のうちの光束中心部の光を発散させ、前記光束中心部以外の光を遮断するビーム成形手段と、
前記ビーム成形手段からの発散光を平行光にする光源側コリメータレンズと、を備えて構成されるところに特徴を有する。

請求項４の発明は、請求項１または請求項２に記載のものにおいて、前記投光手段は、光を出射する光源と、前記光源からの光を、前記光源の光軸方向と直交する面において略長円形となるように前記光源からの発散された光を平行光にするビーム成形手段と、を備えて構成されるところに特徴を有する。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のものにおいて、前記測定手段は、前記光走査部の移動開始から所定時間以上経過後に前記撮像手段に照射される光の焦点位置に基づいて前記測定対象物の形状を測定するところに特徴を有する。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のものにおいて、前記集光手段は、前記ピンホールを通過し前記測定対象物に向かう拡散光を平行光にする対物側コリメータレンズと、
前記ピンホールの軸方向に移動可能に構成され前記対物側コリメータレンズからの平行光を前記測定対象物上に集束させる対物レンズと、を備え、
前記焦点位置変更手段は、前記対物レンズを前記ピンホールの軸方向に移動にさせることにより、前記対物レンズにて集束される光の焦点位置を変更するところに特徴を有する。

＜請求項１の発明＞
例えば、投光手段から平行光のままピンホールアレイに照射する構成とした場合には、投光手段から投光された平行光のうち、一部の光のみがピンホールを通過し、他の大部分の光はピンホールアレイの表面にて反射するため、光の利用効率が悪くなる。特に、２次元ＣＣＤのような撮像手段を用いて撮像する際には、撮像手段に照射される光量が少なくなると、測定に必要な電荷を蓄積するために要する時間が長くなるため、高速に測定することができない。しかしながら、本構成によれば、投光収束レンズ群にて収束された光がピンホールを通過するから光の利用効率を向上させることができるとともに、撮像手段に照射される光の光量の増加により、測定対象物の形状測定に必要な時間を短縮させることができる。
また、本構成によれば、ピンホールアレイを通過した反射光は、投光収束レンズ群とは異なる方向に導かれる（分岐される）から、反射光が投光収束レンズ群を通ることにより生じうる測定の誤りを防止できる。

＜請求項２の発明＞
投光手段及び投光収束レンズ群を、走査用移動手段の移動方向と直交する方向から光を投光するように配する場合には、光走査部の移動範囲（投光収束レンズ群の移動範囲）の全てが含まれるように、より広い範囲に投光手段から平行光を投光する必要がある。しかしながら、本構成によれば、投光手段及び投光収束レンズ群は、投光手段から投光され投光収束レンズ群を透過した光が、光分岐手段にて略直交方向に光路が変更されるように配される。即ち、走査用移動手段の移動方向に沿う方向から平行光が投光される（光走査部の移動方向は投光光軸と平行になる）ことにより、投光される平行光のうち、測定に利用されない無駄な部分に照射する光をなくすことが可能になるから、光の利用効率を向上させることができる。

＜請求項３の発明＞
本構成によれば、光束中心部の発散光が光源側コリメータレンズに入射されることにより、光源側コリメータレンズから出射される平行光の光強度分布の偏りを防止できる。

＜請求項４の発明＞
本構成によれば、例えば、光走査部における光の入射面が略長円形である場合に、光源からの光を効率よく光走査部（具体的には、投光収束レンズ群）に導くことができるから、測定に利用する光の利用効率を向上させることができる。

＜請求項５の発明＞
光走査部の移動開始直後は、移動速度が一定しないことが多いため、正確な形状の測定が行われないおそれがある。しかし、本構成によれば、光走査部の移動開始から所定時間以上経過後に撮像手段に照射される光の焦点位置に基づいて測定対象物の形状を測定するから、測定精度を向上させることができる。

＜請求項６の発明＞
本構成によれば、簡易な構成で、集光手段にて集光される光の焦点位置を変更することができる。また、ピンホールを通過し測定対象物に向かう拡散光が直接対物レンズに入射される構成とすると、対物レンズに至るまでに生じる拡散光の広がりに合わせた大きさの対物レンズを用いる必要があるが、本構成によれば、拡散光が対物レンズに至る前に対物側コリメータレンズで平行光とされるから、対物レンズに直接拡散光が入射される構成と比較して、小さい径の対物レンズを用いることが可能になる。

＜実施形態１＞
以下、本発明の光学測定装置の実施形態１について図面を参照しつつ説明する。
１．光学測定装置の構成
光学測定装置は、図１に示すように、レーザ光源１１と、レーザ光源１１から出射された光を平行光にするコリメータレンズ１２と、コリメータレンズ１２からの平行光の光軸に沿う方向（図１のＸ軸の正負の方向）に移動可能であって当該平行光を直交する方向に反射する光走査部２０と、対物レンズ１３からなり光走査部２０からの光を測定対象物Ｗの表面に集光する集光手段と、を備えて構成されている。

そして、測定対象物Ｗの表面からの反射光は、対物レンズ１３を介して光走査部２０に入射するとともに、光走査部２０を透過し、この透過した光が結像レンズ１６により２次元ＣＣＤからなる撮像手段１７の撮像面１７Ａに結像されるようになっている。これにより、測定対象物Ｗに照射される光の光軸中心と測定対象物Ｗからの反射光の光軸中心とが同軸になるとともに、コリメータレンズ１２からの平行光の光軸中心と、光走査部２０と測定対象物Ｗとの間の光軸中心とが直交する関係となる。また、光走査部２０と測定対象物Ｗとの間の光軸中心がステージ１５の面に対して垂直になっている。
そして、撮像手段１７から出力される撮像面１７Ａの位置に応じた撮像信号は、制御部３０に出力され、制御部３０にて撮像信号に基づき測定対象物Ｗの表面形状を測定することができるようになっている。したがって、制御部３０が本発明の「測定手段」に相当する。

光走査部２０は、略直方体状をなし、一面から入射した光を透過光と反射光とに分岐するビームスプリッタ２１（本発明の「光分岐手段」に相当）と、ビームスプリッタ２１の対物レンズ１３側の面に配され、複数のピンホールＰが規則的に並んで形成されてなるピンホールアレイ２２と、ビームスプリッタ２１のコリメータレンズ１２側の面に配（固定）され、複数のレンズが規則的並んでに配列されるマイクロレンズアレイ２３（本発明の「収束レンズ群」に相当）と、から構成（一体的に構成）されている。

ピンホールアレイ２２は、図２（Ａ）に示すように、ビームスプリッタ２１の下面にピンホールＰの部分を残して蒸着が施されており、ビームスプリッタ２１で反射してピンホールアレイ２２に照射された平行光のうち、ピンホールＰを通った光のみが対物レンズ１３に照射されるようになっている。このピンホールＰの配列は、同図のＹ軸方向のピンホールＰの位置が重複しないように、所定数（同図では４個）だけＸ軸方向の位置を順次ずらして（Ｐ１〜Ｐ５）形成されており、所定数ずらした後に最初のＸ軸方向の位置に戻り（Ｐ１’）、再び所定数（同図では４個）だけＸ軸方向の位置を順次ずらすことにより所定数ごとに繰り返して形成されている。なお、隣接するピンホールＰ同士の間隔（同図ｘ１，ｙ１）は、隣接するピンホールＰを通過した光同士が干渉しない間隔になっている。

マイクロレンズアレイ２３は、各ピンホールＰと対応する数のマイクロレンズ（収束レンズ）を有し、各マイクロレンズの焦点位置（ビームスプリッタ２１での反射後の焦点位置）が対応するピンホールＰの中心に位置するように、ビームスプリッタ２１の側面（コリメータレンズ１２側の側面）に固定されている。

ここで、マイクロレンズアレイ２３の製造方法は、多数のレンズ成形用のくぼみが内部に形成された矩形の型に透明なレンズ材料を流し込むことにより矩形の板状のマイクロレンズアレイ２３が形成されるようになっている。そして、マイクロレンズアレイ２３の一面（図１の右面側）は、多数のマイクロレンズによる凹凸が形成されるとともに、他面（図１の左面側）は、水平な平滑面に加工されており、この平滑面をエポキシ樹脂等の接着剤によりビームスプリッタ２１の右面（コリメータレンズ１２側の面）に接着するようになっている。なお、マイクロレンズ表面には減反射コーティングがなされている。

これにより、コリメータレンズ１２からの平行光は、マイクロレンズアレイ２３に入射し、各マイクロレンズにて集光されつつビームスプリッタ２１で反射し、各マイクロレンズと対応するピンホールＰに集光される。

したがって、ピンホールアレイ２２に直接平行光を入射させる場合よりもピンホールアレイ２２の表面で反射する光（ピンホールＰを通過しない光）を大幅に軽減することができ、投光された光の利用効率を高めることができるだけでなく、ピンホールアレイ２２の表面で反射した光が撮像手段１７にノイズ光として集光されることを低減させることができる。

また、光走査部２０は、走査用移動手段２６に接続されている。
走査用移動手段２６は、制御部３０からの信号に基づき、光走査部２０にリニアな往復運動（Ｘ軸方向。コリメータレンズ１２からの平行光に沿う方向の運動）を行わせることができるように構成されている。

そして、走査用移動手段２６により光走査部２０をコリメータレンズ１２からの平行光の進行方向に沿う方向（ピンホールＰの軸方向と直交する方向）に移動させることにより、図２（Ｂ）に示すように、撮像手段１７の撮像面１７Ａと同一平面上には、結像レンズ１６を透過した反射光の焦点が形成されるようになっている。このうち隙間なく焦点が形成される位置に撮像面１７Ａが配されることにより（同図２点鎖線内部）、往復運動の片道分（以下「１スキャン動作」という）でＸＹ軸方向の２次元的な表面形状の測定ができるようになっている。

ステージ１５には、ステージ１５を上下方向（ピンホールＰの軸方向）に移動可能なステージ駆動手段２７（本発明の「焦点位置変更手段」に相当）が設けられている。
ステージ駆動手段２７は、走査用移動手段２６による１スキャン動作が終了するごとに制御部３０から駆動信号を受けるようになっており、駆動信号を受ける度にステージ駆動手段２７が駆動し、ステージ１５の高さが一段ずつ変更される。これにより、異なるＺ軸高さにおけるＸＹ軸方向の２次元的な表面形状を測定されるから、かかる測定結果に基づき測定対象物Ｗの３次元的な表面形状の測定ができるようになっている。

制御部３０は、レーザ光源１１に投光信号を送信してレーザ光源１１を投光させるとともに、撮像手段１７から測定対象物Ｗの表面形状に応じた撮像信号を受信すると、順次記憶部（図示しない）に記憶する。また、投光信号に同期させて、走査用移動手段２６を駆動させることにより、光走査部２０による走査を開始させる。走査用移動手段２６からの信号により１スキャン動作が終了したことを検出すると一旦走査を停止させる。

ここで、走査用移動手段２６を駆動させた際の光走査部２０の移動速度ｖは、図３に示すように、初期速度０から加速するため、走査の開始（１スキャン動作ごとの開始）から所定時間ｔ１（速度が一定となるまでの時間）の間は移動速度ｖが一定しない。そこで、本実施形態では、予め移動速度ｖが一定（ｖ１）になるまでの所定時間ｔ１が記憶部に記憶されており、走査用移動手段２６の駆動開始から、所定時間ｔ１までの間に撮像信号を受けても、かかる撮像信号については測定対象物Ｗの形状測定には用いない（無効化する）ようになっている。なお、制御部３０は、走査用移動手段２６の駆動開始から、所定時間ｔ１が経過してからレーザ光源１１を投光させるようにしてもよい。

制御部３０は、走査用移動手段２６からの信号により１スキャン動作が終了したことを検出すると、走査用移動手段２６の駆動及びレーザ光源１１の発光動作を停止させ、ステージ駆動手段２７を駆動させてＺ軸方向におけるステージ１５位置を１段だけ変更するようになっている。

次に、ステージ１５の位置が１段変更されると、制御部３０は、レーザ光源１１を投光させるとともに、投光信号に同期させて走査用移動手段２６を駆動させて光走査部２０のスキャン動作を開始させる。

以下、測定したいＺ軸方向の全ての位置におけるＸＹ軸方向の走査が終了するまで、上記動作を繰り返し、制御部３０は、異なるＺ軸方向の全ての高さについて記憶部に記憶された測定対象物Ｗの表面形状の情報を組み合わせて測定対象物Ｗの３次元的な形状を測定する。

２．本実施形態の効果
例えば、投光手段（レーザ光源１１及びコリメータレンズ１２）から平行光のままピンホールアレイ２２に照射する構成とした場合には、投光手段から投光された平行光のうち、一部の光のみがピンホールＰを通過し、他の大部分の光はピンホールアレイ２２の表面にて反射するため、光の利用効率が悪くなる。特に、２次元ＣＣＤのような撮像手段１７を用いて撮像する際には、撮像手段１７に照射される光量が少なくなると、測定に必要な電荷を蓄積するために要する時間が長くなるため、高速に測定することができない。しかしながら、本実施形態によれば、マイクロレンズアレイ２３（投光収束レンズ群）にて収束された光がピンホールＰを通過するから光の利用効率を向上させることができるとともに、撮像手段１７に照射される光の光量の増加により、測定対象物Ｗの形状測定に必要な時間を短縮させることができる。

また、本実施形態によれば、ピンホールアレイ２２を通過した反射光は、ビームスプリッタ２１（光分岐手段）によりマイクロレンズアレイ２３（投光収束レンズ群）とは異なる方向に導かれて（分岐されて）撮像手段１７に撮像されるから、反射光がマイクロレンズアレイ２３（投光収束レンズ群）を通ることにより生じうる測定の誤りを防止できる。

さらに、例えば、投光手段（レーザ光源１１及びコリメータレンズ１２）及びマイクロレンズアレイ２３（投光収束レンズ群）を、走査用移動手段２６の移動方向と直交する方向から光が投光されるように配する場合には、光走査部２０の移動範囲（図１のＸ軸方向の移動範囲）の全てが含まれるように、投光手段から平行光を広い範囲（Ｘ軸方向の幅）に投光する必要がある（図９参照）。しかしながら、本実施形態によれば、投光手段（レーザ光源１１及びコリメータレンズ１２）及びマイクロレンズアレイ２３は、投光手段から投光されマイクロレンズアレイ２３を透過した光が、ビームスプリッタ２１（光分岐手段）にて略直交方向に光路が変更されるように配される。即ち、走査用移動手段２６の移動方向に沿う方向から平行光が投光されることにより、投光される平行光のうち、測定に利用されない無駄な部分に照射する光をなくすことが可能になるから、光の利用効率を向上させることができる。また、走査用移動手段２６の移動方向に沿う方向から平行光を投光させることにより、当該平行光の範囲を少なくすることができるから、走査用移動手段２６の移動方向と直交する方向から平行光を投光する構成と比較して、より小さな径のコリメータレンズ１２を用いることができる。

また、光走査部２０の移動開始直後は、移動速度が一定しないことが多いため、正確な形状の測定が行われないおそれがある。しかし、本実施形態によれば、光走査部２０の移動開始から、移動速度が一定になる所定時間ｔ１以上経過後に撮像手段１７に照射される光の焦点位置に基づいて測定対象物Ｗの形状が測定されるから、測定精度を向上させることができる。

さらに、例えば、マイクロレンズアレイ２３、ビームスプリッタ２１、ピンホールアレイ２２との間に隙間のある構成とした場合には、マイクロレンズアレイ２３からピンホールアレイ２２に至る光路が長くなるが、この場合には、ピンホールＰを通過する光の開口数（ＮＡ）が小さくなる。この開口数（ＮＡ）が小さくなると、測定対象物Ｗに照射される光の焦点位置が変化したときの光量変化が少なくなり、精度の高い測定ができない。一方、本実施形態によれば、マイクロレンズアレイ２３、ビームスプリッタ２１、ピンホールアレイ２２が隙間なく一体に構成されているから、マイクロレンズアレイ２３からピンホールアレイ２２に至る光路が短くなり、開口数（ＮＡ）が大きくなる。したがって、測定対象物Ｗに照射される光の焦点位置が変化したときの光量変化が大きくなるから、形状測定の精度を向上させることができる。
特に、開口数（ＮＡ）を大きくすることで、測定対象物Ｗがミラー等の正反射体である場合に、焦点位置で反射する光がピンホールＰを通過しやすい（焦点位置以外で反射する光がピンホールＰを通過しにくい）から、光量変化がとらえやすく、測定対象物Ｗの形状を正確に測定することができる。

＜実施形態２＞
実施形態２について図４を参照しつつ説明する。なお、実施形態１と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態２は、図４に示すように、実施形態１の光学測定装置におけるレーザ光源１１とコリメータレンズ１２（請求項３の「光源側コリメータレンズ」に相当）との間に中心軸を等しくする発散レンズ５１とスリット板５２を設けたものである。そして、レーザ光源１１から出射された光は発散レンズ５１により発散光とされ、この発散光の一部がスリット板５２の光通過孔５２Ａを通過してコリメータレンズ１２により平行光とされるようになっている。したがって、発散レンズ５１及びスリット板５２が請求項３の「ビーム成形手段」に相当する。

このようにすれば、レーザ光源１１からの光は、光軸付近の光（光束中心部分の光）がスリット板５２の光通過孔５２Ａを通過してコリメータレンズ１２へ入射され、それ以外の光はスリット板５２で遮断されてコリメータレンズ１２へ入射しない。これにより、光軸部分の光（光束中心部分に光）以外の光がコリメータレンズ１２に入射されることにより生じる平行光の光強度分布の偏りをできる。

＜実施形態３＞
実施形態３は、図５，図６に示すように、実施形態１の光学測定装置におけるレーザ光源１１とコリメータレンズ１２との間にシリンドリカルレンズ５６，５７が光路の前後に並んで配されている。
シリンドリカルレンズ５６，５７は、共に、断面蒲鉾状をなし凸状に湾曲した面がレーザ光源１１側に向けられて配されており、レーザ光源１１からコリメータレンズ１２に向かう光の光軸の中心に、シリンドリカルレンズ５６，５７の中心軸が位置するようになっている。
ここで、シリンドリカルレンズ５６は、Ｚ軸（上下）方向の拡散光を平行光に変えるのに対して、シリンドリカルレンズ５７は、Ｙ軸方向の拡散光を平行光に変えるように、互いに直交する回転角度で配されている。

したがって、レーザ光源１１から拡散（発散）光が出射されると、シリンドリカルレンズ５６により、Ｚ軸方向については略平行光になり（図５）、Ｙ軸方向についてはそのまま拡散する（図６）。次に、シリンドリカルレンズ５７により、Ｚ軸方向については、略平行光のまま透過し（図５）、Ｙ軸方向については拡散光が略平行光になる（図６）。したがって、シリンドリカルレンズ５６及びシリンドリカルレンズ５７が請求項４の「ビーム成形手段」に相当する。なお、シリンドリカルレンズとしては、一面が凸状に湾曲したレンズを用いたが、一面が凹状に湾曲したレンズ（トーリック）を用いてもよい。
これにより、シリンドリカルレンズ５７を透過する光の断面形状は、略長円形（楕円形。理想的には長方形。請求項４の「光源の光軸方向と直交する面において略長円形」に相当）になり、略長方形状をなすビームスプリッタ２１（光分岐手段）の側面の全体に漏れなく光を照射することができる。即ち、レーザ光源１１からの光を効率よくマイクロレンズアレイ２３（投光収束レンズ群）に導くことができるから、測定に利用する光の利用効率を向上させることができる。

＜実施形態４＞
上記実施形態では、測定対象物Ｗに光を集光させるための集光手段は対物レンズ１３のみから構成されたが、実施形態４では、図７に示すように、対物レンズ１３に加えて対物側コリメータレンズ６１が光走査部２０と対物レンズ１３との間に設けられており、ピンホールＰを通過した拡散光（発散光）が対物側コリメータレンズ６１により略平行光（若干の収束光若しくは発散光を含む）となった後、対物レンズ１３により集光されて測定対象物Ｗに照射されるようになっている。

また、上記実施形態におけるステージ１５を移動するためのステージ駆動手段２７は設けられておらず、ステージ１５は所定位置に固定されている一方、レンズ位置移動部６２（請求項６の「焦点位置変更手段」に相当）が対物レンズ１３に取り付けられており、対物レンズ１３が上下方向（ピンホールＰの軸方向）に移動できるようになっている。

そして、レンズ位置移動部６２は、制御部３０からの信号を受けると、その都度、対物レンズ１３の高さを一段ずつ変更していき、測定対象物Ｗ上に照射される光の焦点位置を変更するようになっている。

このようにすれば、対物レンズ１３の高さを変更するという簡易な構成（制御）で、集光手段にて集光される光の焦点位置を変更することができる。

また、対物側コリメータレンズ６１と対物レンズ１３との相対的な距離を変更しても対物側コリメータレンズ６１から対物レンズ１３に入射される光は略平行光であるから、対物レンズ１３から集光される光の焦点位置精度が高くなる。

さらに、ピンホールＰを通過し測定対象物Ｗに向かう拡散光が直接対物レンズ１３に入射される構成とすると、対物レンズ１３に至るまでに生じる拡散光の広がりに合わせた大きさの対物レンズ１３を用いる必要があるが、本実施形態によれば、拡散光が対物レンズ１３に至る前に対物側コリメータレンズ６１で平行光とされるから、対物レンズに直接拡散光が入射される構成と比較して、小さい径の対物レンズ１３を用いることが可能になる。

＜実施形態５＞
本発明の実施形態５を図８を参照して説明する。実施形態４との相違点は、ビームスプリッタ２１に代わってＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する偏光ビームスプリッタ７１を用いるとともに、偏光ビームスプリッタ７１とコリメータレンズ１２との間（コリメータレンズ１２の光路の後方）にＳ偏光のみを透過させる第１偏光フィルタ７２を設け、さらに、対物側コリメータレンズ６１と対物レンズ１３との間（ピンホールアレイ２２と測定対象物Ｗとの間）に１／４波長板７３を設けたところにある。

レーザ光源１１からのレーザ光は、第１偏光フィルタ７２によりＳ偏光のみが透過され（Ｐ偏光が遮光）、偏光ビームスプリッタ７１に照射される。偏光ビームスプリッタ７１に照射された光はＳ偏光であるため全てが反射してピンホールアレイ２２及び対物側コリメータレンズ６１を介して１／４波長板７３に向かう。Ｓ偏光は１／４波長板７３を透過することで円偏光に変えられて対物レンズ１３を介して測定対象物Ｗに照射される。
ここで、測定対象物Ｗに照射された光の正反射光はある程度偏光が崩れるものの、一般的に偏光保存されて反射される光の割合が大きいとされている。したがって、この偏光保存された反射光が１／４波長板７３を透過すると、円偏光からＰ偏光（投光時の偏光方向と直交する方向の偏光）に変えられ、これによって偏光ビームスプリッタ７１を透過し、撮像手段１７に照射される。

ところで、レーザ光源１１からの光がピンホールアレイ２２に照射された際に、ピンホールアレイ２２の表面で反射した光が撮像手段１７に導かれるとノイズ光となり測定誤差の原因となりうるが、実施形態５の構成によれば、第１偏光フィルタ７２を透過したＳ偏光がピンホールアレイ２２に照射された際に、ピンホールアレイ２２の表面で反射したとしても、偏光ビームスプリッタ７１の偏光面で反射されて撮像手段１７側には導かれない。したがって、測定におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。

なお、１／４波長板７３は、対物側コリメータレンズ６１と対物レンズ１３との間でなくても、ピンホールアレイ２２を通って測定対象物Ｗに向かう光が、測定対象物Ｗにて反射してピンホールアレイ２２に戻ってくるまでの光路上に配されるようにすればよい。また、偏光ビームスプリッタ７１と結像レンズ１６との間にＰ偏光のみを透過する第２偏光フィルタ７４（図７の２点鎖線）を設け、ピンホールアレイ２２に光が照射された際に、ピンホールアレイ２２の表面で反射したＳ偏光を第２偏光フィルタ７４で遮断するようにしてもよい。

＜実施形態６＞
上記実施形態では、光走査部２０の移動方向に沿う方向（光走査部２０の側方）から光を投光し、光走査部２０にて移動方向と直交する方向（光走査部２０の上方）に反射（光路が変更）した光を測定対象物Ｗに照射する構成としたが、実施形態６では、これとは反対に、光走査部２０の移動方向と直交する方向（光走査部２０の上方）から光を投光し、光走査部２０を透過した光を測定対象物Ｗに照射する構成とし、測定対象物Ｗからの反射光を光走査部２０にて反射させ、結像レンズ８６を介して撮像手段１７にて撮像する構成としたものである。

具体的には、図９に示すように、レーザ光源８１及びコリメータレンズ８２は、光走査部２０の上方に配されており、マイクロレンズアレイ８３は、ビームスプリッタ２１の面のうち、コリメータレンズ８２側の面（ビームスプリッタ２１の上面）に取付られている。また、コリメータレンズ８２の大きさは、実施形態１のコリメータレンズ８２よりも径の大きいものが用いられており、光走査部２０の移動範囲の全体について上方から光を照射できるようになっている。
また、光走査部２０と結像レンズ８６との間の光路上には、反射ミラー８４，８５が配されており、このうち、ビームスプリッタ２１側の反射ミラー８４は、光走査部２０の移動（走査）の際には、光走査部２０と一体的に移動（Ｘ軸方向に移動）するように構成されている。

レーザ光源８１から出射されコリメータレンズ８２を透過した平行光は、マイクロレンズアレイ８３を通過することで収束されつつ、ビームスプリッタ２１を透過してピンホールアレイ２２に照射される。ピンホールアレイ２２に照射されてピンホールＰを通過した光は、対物レンズ１３で収束されて測定対象物Ｗに向かう。測定対象物Ｗからの反射光は、対物レンズ１３で収束されてピンホールアレイ２２のピンホールＰを通過し、ビームスプリッタ２１を反射した光が、反射ミラー８４，８５で反射した後、結像レンズ８６を介して撮像手段８７に照射される。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）上記実施形態では、ピンホールアレイ２２は、ビームスプリッタ２１の面にピンホールＰのパターンを残して蒸着する構成としたが、例えば、ビームスプリッタ２１の面の全体に蒸着を施した後に、ピンホールＰの部分をレーザ等で取り除くようにしてもよい。また、蒸着によりピンホールアレイ２２を形成する構成に限らず、スクリーン印刷等によりピンホールアレイ２２を形成してもよい。さらに、板状の部材にピンホールＰが貫通形成されたものをピンホールアレイ２２として用いて、ビームスプリッタ２１の下面に接着等により取り付けるようにしてもよい。

実施形態１の光学測定装置の概略的な構成を示す図 （Ａ）ピンホールアレイを下面から見た図 （Ｂ）撮像手段の撮像面と同一平面上に焦点が形成される様子を示す図 光走査部の移動開始からの移動速度と時間との関係を示す図 実施形態２の光学測定装置の概略的な構成を示す図 実施形態３の光学測定装置の概略的な構成を示す図 レーザ光源から出射されピンホールアレイに向かう光を下方から見た図 実施形態４の光学測定装置の概略的な構成を示す図 実施形態５の光学測定装置の概略的な構成を示す図 実施形態６の光学測定装置の概略的な構成を示す図

符号の説明

１１，８１…レーザ光源
１２，８２…コリメータレンズ
１３，８２…対物レンズ
１５…ステージ
１６，８６…結像レンズ
１７，８７…撮像手段
２０…光走査部
２１…ビームスプリッタ（光分岐手段）
２２…ピンホールアレイ
２３，８３…マイクロレンズアレイ（投光収束レンズ群）
２６…走査用移動手段
２７…ステージ駆動手段（焦点位置変更手段）
３０…制御部（測定手段）
５１…発散レンズ
５２…スリット板
６１…対物側コリメータレンズ
６２…レンズ位置移動部（焦点位置変更手段）
７１…偏光ビームスプリッタ（光分岐手段）
７２…第１偏光フィルタ
７３…１／４波長板
７４…第２偏光フィルタ
Ｐ…ピンホール

Claims (6)

1. 平行光を投光する投光手段と、
   前記投光手段からの平行光の照射領域に配され、前記平行光を収束する投光収束レンズ群と、
   前記投光収束レンズ群の各投光収束レンズの略焦点位置に前記各投光収束レンズと対応するピンホールが配されるピンホールアレイと、
   前記ピンホールを通過した光を測定対象物に集光させるとともに、前記測定対象物からの反射光を前記ピンホールに集光させる集光手段と、
   前記投光収束レンズ群と前記ピンホールアレイとの間の光路に配され、前記ピンホールアレイを通過した前記反射光を前記投光収束レンズ群とは異なる方向に分岐させる光分岐手段と、
   前記光分岐手段により前記投光収束レンズ群とは異なる方向に分岐された光を結像させる結像レンズと、
   前記結像レンズからの光を撮像面上にて撮像する撮像手段と、
   前記測定対象物と、前記集光手段にて前記測定対象物側に集光される光の焦点位置と、の前記ピンホールの軸方向における相対的な位置を変更可能な焦点位置変更手段と、
   前記投光収束レンズ群と、前記光分岐手段と、前記ピンホールアレイと、を備えて構成される光走査部を、前記ピンホールの軸方向と直交する方向に移動可能な走査用移動手段と、
   前記焦点位置変更手段及び前記走査用移動手段の駆動により変化する前記撮像手段に照射される光の焦点位置に基づいて前記測定対象物の形状を測定する測定手段と、を備えることを特徴とする光学測定装置。
2. 前記投光手段及び前記投光収束レンズ群は、前記投光手段からの投光され前記投光収束レンズ群を透過した光が、前記光分岐手段にて略直交方向に光路が変更されるように配されていることを特徴とする請求項１記載の光学測定装置。
3. 前記投光手段は、
   光を出射する光源と、
   前記光源からの光のうちの光束中心部の光を発散させ、前記光束中心部以外の光を遮断するビーム成形手段と、
   前記ビーム成形手段からの発散光を平行光にする光源側コリメータレンズと、を備えて構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学測定装置。
4. 前記投光手段は、
   光を出射する光源と、
   前記光源からの光を、前記光源の光軸方向と直交する面において略長円形となるように前記光源からの発散された光を平行光にするビーム成形手段と、を備えて構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学測定装置。
5. 前記測定手段は、前記光走査部の移動開始から所定時間以上経過後に前記撮像手段に照射される光の焦点位置に基づいて前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の光学測定装置。
6. 前記集光手段は、前記ピンホールを通過し前記測定対象物に向かう拡散光を平行光にする対物側コリメータレンズと、
   前記ピンホールの軸方向に移動可能に構成され前記対物側コリメータレンズからの平行光を前記測定対象物上に集束させる対物レンズと、を備え、
   前記焦点位置変更手段は、前記対物レンズを前記ピンホールの軸方向に移動にさせることにより、前記対物レンズにて集束される光の焦点位置を変更することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の光学測定装置。

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