JP2008128744A - 距離測定装置および距離測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変位感度を減少させること無く、スペックルの影響を大幅に低減することができる距離測定装置および距離測定方法を提供する。
【解決手段】焦点面において集光した照射光を照射スポットＳとして測定対象面Ｗａに照射する照射光学系１１と、測定対象面Ｗａから反射した反射光を共焦点面において集光し、集光した反射光の共焦点面に設置されたピンホール３６を介して光検出器１３に入射させる反射光学系１２と、光検出器１３に入射した反射光に基づいて変位信号Ｅｓｎを検出し、変位信号Ｅｓｎに基づいて測定対象面Ｗａからの距離を測定する距離測定手段と、を備え、測定対象面Ｗａに照射する照射スポットＳを楕円状とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、測定対象面から反射した反射光に基づいて、測定対象面からの距離を測定する距離測定装置および距離測定方法に関するものである。

従来、この種の距離測定装置として、対物レンズにより、焦点面において集光したレーザー等の照射光を、円形の照射スポットとして測定対象面に照射し、また、測定対象面から反射した反射光を、共焦点面に設けたピンホールを介してフォトダイオードにより受光し、受光した反射光に基づいて測定対象面からの距離を測定するものが知られている（特許文献１参照）。
特開平７−１１３６１７号公報

しかしながら、上記の距離測定装置において、円形の照射スポットを微小凹凸のある測定対象面に照射すると、スペックルが発生する。このため、共焦点面において、微小凹凸による光の干渉、すなわちスペックルが発生し、対物レンズの焦点面に測定対象面がある場合でも、ピンホールを通過する反射光の光量（変位信号）が最大（ピーク値）になるとは限らない。これにより、測定対象面から距離を測定するためのピーク値を適切に検出することができず、距離の測定に誤差が生じてしまう問題があった。このとき、スペックルの影響を低減すべく、照射スポット径を大きくし、スペックルサイズを縮小することが考えられるが、照射スポット径の拡大は、同時に変位感度をも減少させてしまう。

本発明は、変位感度を減少させること無く、スペックルの影響を大幅に低減することができる距離測定装置および距離測定方法を提供することを課題とする。

本発明の距離測定装置は、焦点面において集光した照射光を照射スポットとして測定対象面に照射する照射光学系と、測定対象面から反射した反射光を共焦点面において集光し、集光した反射光の共焦点面に設置されたピンホールを介して光検出器に入射させる反射光学系と、光検出器に入射した反射光に基づいて変位信号を検出し、変位信号に基づいて測定対象面からの距離を測定する距離測定手段と、を備え、測定対象面に照射する照射スポットを楕円状としたことを特徴とする。

また、本発明の距離測定方法は、焦点面において集光した照射光を照射スポットとして測定対象面に照射すると共に、測定対象面から反射した反射光を共焦点面において集光し、集光した反射光の共焦点面に設置されたピンホールを介して入射した反射光に基づいて、測定対象面からの距離を測定する距離測定方法において、測定対象面に照射する照射スポットを楕円状としたことを特徴とする。

この構成によれば、照射スポットを楕円状としたことにより、その長径方向において、照射スポットのサイズが拡大され、これに伴い、スペックルサイズが縮小されるため、スペックルの影響を低減することができる。一方、短径方向においては、通常の円形の照射スポットと同じ大きさであるため、変位感度を維持しつつ良好に変位信号を検出することができる。これにより、変位感度を減少させること無く、スペックルの影響を大幅に低減することができる。なお、照射光は、レーザー光でも、白色光でもよい。

この場合、ピンホールをスリット形状としたことが、好ましい。

また、この場合、スリット形状のピンホールは、共焦点面における楕円状の反射光の長径方向と同方向に延在していることが、好ましい。

この構成によれば、照射スポットが楕円状の場合、共焦点面における反射光の形状も楕円状となる。このとき、スリット状のピンホールを、楕円状の反射光の長径方向と同方向に配置することで、光量の調整を容易に行うことができる。すなわち、反射光の光量を調整する際、楕円状の反射光の長径方向において、ピンホールを移動させる必要が無く、短径方向にのみに移動させればよい。

この場合、楕円状の照射スポットにおける短径：長径の比率が、１：４〜１００であることが、好ましい。

この構成によれば、測定対象面からの距離を測定する変位計として用いる場合には、スペックルによる影響を低減するに必要十分な比率とすることができる。

また、この場合、比率が、１：５であることが、最適である。

この構成によれば、長径方向においてスポット径を小さくすることができるため、局所的な測定対象面からの距離を測定する際には、スペックルによる影響を低減するに最適な比率とすることができる。

この場合、照射光学系は、断面円形の照射光を、楕円状の照射スポットに変形させるスポット変形手段を有していることが、好ましい。

この構成によれば、照射光の断面が円形である場合でも、照射スポットを適切に楕円状にすることができる。

この場合、スポット変形手段は、照射光に臨んだシリンドリカルレンズであることが、好ましい。

この構成によれば、簡易な構成で、照射スポットを楕円状とすることができ、また、光量を低減させることも無い。

この場合、スポット変形手段は、照射光に臨んだスリットであることが、好ましい。

この構成によれば、簡易な構成で、照射スポットを楕円状とすることができる。

この場合、測定対象面に照射された照射スポットを、光軸方向に振動させるスポット振動手段を、更に備えたことが、好ましい。

この構成によれば、照射スポットを光軸方向に振動させることで、測定対象面に焦点面を瞬間的に合わせて、楕円状の照射スポットを照射することができる。

この場合、照射光がレーザー光であることが、好ましい。

この構成によれば、白色光を用いるのに比して、より小さい照射スポットを測定対象物に照射することができ、また、単色光であるため、色補正を行なう必要が無い。

この場合、反射光を２方向に分岐させ、分岐した一方の反射光をピンホールに入射させると共に、分岐した他方の反射光を参照光として検出し、検出した参照光に基づいて変位信号の誤差を補正する変位信号誤差補正手段を、更に備えたことが、好ましい。

この構成によれば、照射光の光量が変動したり、反射光の局所的な干渉により光強度が変わったり、また、反射率の影響があったとしても、参照光に基づいて変位信号の誤差を補正することより、これらの影響を除去することができる。

以上の構成によれば、楕円状の照射スポットとすることで、測定誤差を抑制することができ、測定対象面からの距離をより精度良く測定することができる。

以下、添付の図面を参照して、本実施形態に係る距離測定装置を表面形状測定装置に適用した場合について説明する。この表面形状測定装置は、いわゆる共焦点方式のものであり、焦点面において集光した照射光を照射スポットとして測定対象面に照射すると共に、測定対象面から反射した反射光を共焦点面において集光し、共焦点面に配置したピンホールを介して入射した反射光に基づいて、測定対象面の表面形状を測定するものである。

図１に示すように、表面形状測定装置１は、照射光としてレーザー光を出射するレーザー発振器１０と、出射したレーザー光を試料Ｗの測定対象面Ｗａに向かって集光する照射光学系１１と、試料Ｗの測定対象面Ｗａから反射した反射光を集光し、後述する光検出器１３に入射させる反射光学系１２と、入射した反射光を検出する光検出器１３と、検出した反射光に基づいて得られた変位信号Ｅｓｎの誤差を補正する変位信号誤差補正手段１４と、試料ＷをＸ軸方向に移動させるＸ軸テーブル１５と、後述する対物レンズ３５を光軸方向（Ｚ軸方向）に振動させるピエゾＺ軸テーブル（スポット振動手段）１６と、これらを統括制御するパソコン１７と、を備えている。なお、本実施形態では、照射光としてレーザー光を用いたが、白色光であってもよい。

レーザー発振器１０は、出射するレーザー光の断面が円形となっており、レーザー光を試料Ｗの測定対象面Ｗａに向かって照射している。すなわち、レーザー光の光軸は、試料に向かって一直線となっている。また、レーザー光の波長は、例えば、λ＝６６０ｎｍ、ビーム径は、例えば、８ｍｍとなっている。このため、照射光をコヒーレントなレーザー光にすることにより、白色光の場合に比べ、より小さい照射スポットＳとすることができ、また、単色光であるため、色補正を行なう必要もない。

Ｘ軸テーブル１５は、０．０１μｍ単位で移動させることが可能な精密テーブルであり、Ｘ軸ドライバ２０を介してパソコン１７に接続され、パソコン１７の制御により、載置した試料ＷをＸ軸方向に移動させる。なお、詳細は後述するが、試料Ｗを移動するＸ軸方向は、照射される楕円状の照射スポットＳの短径方向である。

ここで、照射光学系１１および反射光学系１２において、照射光および反射光は重複した光路をたどっているため、照射光学系１１および反射光学系１２は重複した構成となっている。照射光学系１１は、レーザー発振器１０の光軸方向の下流側に設けられ、レーザー発振器１０から照射されたレーザー光を平行光にするためのコリメータレンズ３０と、コリメータレンズ３０の下流側に設けられ、焦点面における照射スポットＳを楕円状にするためのシリンドリカルレンズ（スポット変形手段：ｆ＝５００ｍｍ）３１と、シリンドリカルレンズ３１の下流側に設けられ、照射光を透過させる一方で試料Ｗからの反射光を後述する集光レンズ３２に向けて直角に反射させる偏光ビームスプリッタ３３と、試料からの反射光をレーザー発振器１０に戻さないための１／４波長板３４と、試料Ｗに照射光の焦点面を合わせるための対物レンズ（ｆ＝２．５ｍｍ、ＮＡ＝０．７３）３５と、を有している。

反射光学系１２は、対物レンズ３５、１／４波長板３４および偏光ビームスプリッタ３３を介して、試料Ｗから反射された反射光を集光して光検出器１３に入射させる集光レンズ（ｆ＝５０ｍｍ）３２と、集光レンズ３２の共焦点面に配置されたスリット状のピンホール３６と、を有している。

図２に示すように、レーザー発振器１０からレーザー光が照射されると、レーザー光は、コリメータレンズ３０により平行光となる。この後、レーザー光が、シリンドリカルレンズ３１に入射すると、図示Ｙ軸方向においてのみ照射光を集光する。そして、偏光ビームスプリッタ３３および１／４波長板３４を介して、対物レンズ３５により照射光を集光すると、試料Ｗの測定対象面Ｗａにおいて、Ｘ軸方向の照射光は焦点となるが、Ｙ軸方向の照射光は非焦点（デフォーカス）となるため、測定対象面Ｗａに照射された照射スポットＳは、楕円状となる。このとき、シリンドリカルレンズ３１を用いて楕円状の照射スポットＳとしたため、レーザー光の光量を低減させることが無い。この照射スポットＳは、長径方向が５μｍ、短径方向が１μｍとなっており、短径：長径の比率が１：５となっている。この比率は、測定対象面Ｗａの表面形状を測定するにあたり、照射光学系１１に組み込んだ対物レンズ３５の開口数（ＮＡ）が、ＮＡ＝０．７３の場合において、特に最適である。ここで、開口数がこれよりも大きい場合は、開口数に合わせて比率を約１：４〜１：５、一方、開口数がこれよりも小さい場合は、開口数に合わせて比率を約１：５〜１：７とすることで、適切な照射スポットＳを測定対象面Ｗａに照射することができる。なお、上記の比率は、表面形状を測定するに最適な比率であり、単に測定対象面Ｗａからの距離を測定する場合は、比率を１：４〜１：１００の間に適宜設定してもよい。

一方、照射したレーザー光が、試料Ｗの測定対象面Ｗａから反射されると、反射光は、対物レンズ３５および１／４波長板３４を介して、偏光ビームスプリッタ３３に入射する。すると、反射光は、集光レンズ３２に向けて直角に反射され、反射光は、集光レンズ３２により集光される。このとき、集光レンズ３２の共焦点面において、集光された反射光の断面は、上記と同様に楕円状になる。

ここで、共焦点面に配置されたスリット状のピンホール３６は、楕円状の反射光の長径方向と同方向となるようスリットが形成されている。このため、ピンホール３６を介して入射した反射光は、余分な反射光、例えば、迷光等をほぼ遮った状態で光検出器１３に入射する。このスリット状のピンホール３６を用いることで、反射光の共焦点面における位置合わせを容易に行うことができる。すなわち、楕円状の反射光に対し、その長径方向において位置合わせを行う必要が無く、短径方向においてのみ位置合わせを行なえばよい。なお、通常の円形のピンホールを用いてもよい。

光検出器１３は、反射光を検出する第１フォトダイオード４０であり、反射光を受光した第１フォトダイオード４０の出力信号を、変位信号としてパソコン１７へ出力する。

変位信号誤差補正手段１４は、ピンホール３６と集光レンズ３２との間に介設され、反射光を分岐させるためのビームスプリッタ４５と、分岐した反射光を参照光として検出する第２フォトダイオード４６と、を有しており、第２フォトダイオード４６の出力信号を、参照変位信号Ｅｓｎとしてパソコン１７へ出力し、この出力信号に基づいてパソコン１７が演算処理を行うことで、変位信号Ｅｓｎを補正した補正変位信号Ｅｓｎを算出する。

ピエゾＺ軸テーブル１６は、対物レンズ３５を保持し、これをピエゾ素子（圧電素子）により光軸方向に所定の振幅で振動させるものであり、ピエゾドライバ２１を介してパソコン１７に接続されている。すなわち、パソコン１７の制御により対物レンズ３５を振動させることで、対物レンズ３５の焦点面を前後に位置ズレさせ、これに伴い、共焦点面も前後に位置ズレさせる。そして、測定対象面Ｗａに照射光の焦点面が合った場合は、共焦点面において、ピンホール３６に反射光が適切に入射するため、光検出器１３から検出される受光量が最大となり、反射光に基づいて検出される変位信号Ｅｓｎがピーク値となる。つまり、このピーク値における対物レンズ３５の位置を、パソコン１７によりサンプリングしてゆくことで、表面の形状を測定する。

パソコン１７は、第１フォトダイオード４０から入力された変位信号Ｅｓｎを、第２フォトダイオード４６から入力された参照変位信号Ｅｒに基づいて補正した補正変位信号Ｅｓ（＝Ｅｓｎ−Ｅｒ）を演算する変位信号補正演算部５０と、Ｘ軸テーブル１５を移動制御するＸ軸テーブル制御部５１と、ピエゾＺ軸テーブル１６の振動を制御するＺ軸テーブル制御部５２と、を有している。

ここで、本実施形態の表面形状測定装置１により、試料Ｗの表面形状を測定する一連の動作について説明する。レーザー発振器１０からレーザー光が照射されると、照射光学系１１により、試料Ｗの測定対象面Ｗａに楕円状の照射スポットＳが照射されると共に、ピエゾＺ軸テーブル１６により対物レンズ３５を光軸方向に振動させる。すると、反射光学系１２を介して第１・第２フォトダイオード４０、４６に入射した反射光に基づいて、パソコン１７が補正変位信号Ｅｓｎを算出し、補正変位信号Ｅｓｎのピーク値における対物レンズ３５の位置をサンプリングする。この後、Ｘ軸テーブル制御部５１によりＸ軸テーブル１５を照射スポットＳの短径方向に移動させ、移動後の試料Ｗの測定対象面Ｗａに照射スポットＳを照射し、上記と同様に、補正変位信号Ｅｓｎのピーク値における対物レンズ３５の位置をサンプリングする。そして、サンプリングした複数の対物レンズ３５の位置から試料Ｗの表面形状を測定する。

次に、図３を参照して、照射スポットＳが円形の場合と楕円状の場合との光強度（変位信号）の変位特性についての実験結果を比較する。図３（ａ）は、照射スポットＳが円形の場合の光強度の変位特性であり、図３（ｂ）は、照射スポットＳが楕円状の場合の光強度の変位特性である。また、横軸は、試料の測定対象面における基準面を０としたときの前後の距離であり、縦軸は、光強度である。図３（ｂ）においては、Ｘ軸方向の複数の位置における光強度の変位特性が、放物線を描いているため、ピーク値を容易に特定することができるが、図３（ａ）においては、光強度の変位特性が、ピーク値付近において激しく変動しており、ある位置においては、複数のピーク値が現れたものもある。これらを比較するに、照射スポットＳを楕円状にすることで、スペックルの影響を大幅に低減し、変位特性のピーク値が良好に得られることが確認できた。

以上の構成によれば、照射スポットＳを楕円状としたことにより、その長径方向において、照射スポットＳのサイズが拡大され、これに伴い、スペックルサイズが縮小されるため、スペックルの影響を低減することができる。一方、短径方向においては、通常の円形の照射スポットＳと同じ大きさであるため、変位感度を維持しつつ良好に変位信号Ｅｓｎを検出することができる。これにより、変位感度を減少させること無く、スペックルの影響を大幅に低減することができる。

なお、本実施形態においては、レーザー発振器１０から出射されるレーザー光を断面円形とし、シリンドリカルレンズ３１により楕円状の照射スポットＳにしたが、シリンドリカルレンズ３１に代えて、図４に示すように、スリット６０を介設してもよい。この構成によれば、スリット６０を通過した照射光は、楕円状の照射スポットＳとして測定対象面Ｗａに照射される。つまり、スリット６０を通過した照射光が対物レンズ３５により集光されると、焦点面において、その短手方向は回折ボケとなり、一方、その長手方向は適切に集光されるため、照射スポットＳは、対物レンズ３５に入射した照射光の長手方向に直交するよう楕円状となる。この構成において、スリット６０によりレーザー光の光量が減少するため変位感度はやや落ちてしまうが、スペックルの影響を大幅に低減することができる。また、本実施形態では、距離測定装置を表面形状測定装置に適用した場合について説明したが、単に距離測定装置として用いても良い。

次に、図５を参照して、第２実施形態に係る表面形状測定装置１について説明する。なお、重複した記載を避けるため、異なる部分についてのみ説明する。この表面形状測定装置１は、照射光学系１１に組み込まれたシリンドリカルレンズ３１を省くと共に、レーザー発振器１０から出射されるレーザー光を断面楕円状としたものである。この構成において、照射したレーザー光の断面は、すでに楕円状になっているため、これを対物レンズ３５により集光すると、上記と同様に、その焦点面において楕円状の照射スポットＳとなる。この構成によれば、レーザー光をそのまま集光するため、光量が減少することなく、スペックルの影響を大幅に低減することができる。

本実施形態に係る距離測定装置を適用した表面形状測定装置の概略図である。 表面形状測定装置の光学系を説明する斜視図である。 （ａ）は、照射スポットが楕円状である場合の光強度の変位特性のグラフであり、（ｂ）は、照射スポットが円形である場合の光強度の変位特性のグラフである。 変形例に係る表面形状測定装置の概略図である。 第２実施形態に係る距離測定装置を適用した表面形状測定装置の照射光学系の概略図である。

符号の説明

１…表面形状測定装置 １１…照射光学系 １２…反射光学系 １３…光検出器 １４…変位信号誤差補正手段 ３１…シリンドリカルレンズ ３６…ピンホール ５０…変位信号補正演算部 ６０…スリット Ｗ…試料 Ｗａ…測定対象面 Ｓ…照射スポット Ｅｓｎ…変位信号

Claims (12)

1. 焦点面において集光した照射光を照射スポットとして測定対象面に照射する照射光学系と、
   前記測定対象面から反射した反射光を共焦点面において集光し、集光した前記反射光の共焦点面に設置されたピンホールを介して光検出器に入射させる反射光学系と、
   前記光検出器に入射した反射光に基づいて変位信号を検出し、前記変位信号に基づいて前記測定対象面からの距離を測定する距離測定手段と、を備え、
   前記測定対象面に照射する照射スポットを楕円状としたことを特徴とする距離測定装置。
2. 前記ピンホールをスリット形状としたことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. スリット形状の前記ピンホールは、共焦点面における楕円状の前記反射光の長径方向と同方向に延在していることを特徴とする請求項２に記載の距離測定装置。
4. 楕円状の前記照射スポットにおける短径：長径の比率が、１：４〜１００であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の距離測定装置。
5. 前記比率が、１：５であることを特徴とする請求項４に記載の距離測定装置。
6. 前記照射光学系は、断面円形の前記照射光を、楕円状の前記照射スポットに変形させるスポット変形手段を有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の距離測定装置。
7. 前記スポット変形手段は、前記照射光に臨んだシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項６に記載の距離測定装置。
8. 前記スポット変形手段は、前記照射光に臨んだスリットであることを特徴とする請求項６に記載の距離測定装置。
9. 前記測定対象面に照射された前記照射スポットを、光軸方向に振動させるスポット振動手段を、更に備えたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の距離測定装置。
10. 前記照射光がレーザー光であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の距離測定装置。
11. 前記反射光を２方向に分岐させ、分岐した一方の前記反射光を前記ピンホールに入射させると共に、分岐した他方の前記反射光を参照光として検出し、検出した前記参照光に基づいて前記変位信号の誤差を補正する変位信号誤差補正手段を、更に備えたことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の距離測定装置。
12. 焦点面において集光した照射光を照射スポットとして測定対象面に照射すると共に、前記測定対象面から反射した反射光を共焦点面において集光し、集光した前記反射光の共焦点面に設置されたピンホールを介して入射した反射光に基づいて、前記測定対象面からの距離を測定する距離測定方法において、
    前記測定対象面に照射する照射スポットを楕円状としたことを特徴とする距離測定方法。

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