JP2010217124A - 形状測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】深い測定の深度と高い測定の分解能の双方を両立することができる形状測定装置及び方法を提供する。
【解決手段】光源から出射した光を平行光にし、その平行光を２つに分岐し、分岐した光の１つを円錐レンズにより距離に亘って光軸上のエネルギー密度が極大になる光（ビーム）に変え被測定物の表面に照射し、分岐した光のもう１つは参照ミラーに照射し、被測定物の表面に照射した光（ビーム）の後方散乱光と、参照ミラーからの反射光の干渉光を検出することで被測定物の形状を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工業製品などの測定対象物に対して、従来よりも焦点深度が例えば一桁又は二桁大きい大深度且つ例えばサブミクロン以下の高分解能な測定が可能な形状測定装置及び方法に関するものである。

従来、干渉光を検出して形状を測定する方法としてマイケルソン干渉による装置がある。これは、光源からの光を平行光にし、この平行光をビームスプリッタで２つに分岐し、分岐した一方の光を対物レンズを介して被測定物に照射し、分岐したもう一方の光を移動機構を備えた参照ミラーに照射し、被測定物からの後方散乱光と、参照ミラーからの反射光を、結像レンズを介して焦点面に置かれた光の検出器に結像させる装置である。被測定物からの後方散乱光と、参照ミラーからの反射光は、同一光源からのもので可干渉であるため、移動機構を備えた参照ミラーを移動させて光路差を相対変化させると、光の検出器からは干渉信号が得られ、その干渉信号から被測定物の形状測定ができる（例えば、特許文献１参照。）。

従来の構成を図６に示す。
図６において、２０１は光を出射する発光素子、２０２は発光素子２０１から出射された光を平行光にするコリメータレンズである。また、２０３は、コリメータレンズ２０２からの平行光を被測定物側と参照ミラー側に分岐するためのビームスプリッタである。３０４は、ビームスプリッタ２０３で分岐された平行光の１つを２０５の被測定物に照射するための対物レンズである。２０６、２０７は、ビームスプリッタ２０３で分岐された平行光のもう一つを集光するレンズと、参照用の反射ミラーとである。２０８、２０９は被測定物２０５からの反射光、又は散乱光と、参照用の反射ミラー２０７からの２つの光の干渉光を集光するレンズと、検出する素子である検出器とである。

従来は、マイケルソン干渉において、対物レンズ３０４に球面又は被球面の１枚又は複数枚のレンズを用いていた。対物レンズ３０４の光は、図７に示すように、光学的に対物レンズ３０４の開口数ＮＡと発光素子から出射される光の波長λとによって定まる焦点深度λ／ＮＡ^２及び光の径１．２２×λ／ＮＡを持つ。従って、対物レンズ３０４の焦点位置から離れるに伴って光の径は大きくなり、測定装置の分解能が低下した。例えば、光源に光（ビーム）波長λ＝６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ、対物レンズ３０４に開口数ＮＡ＝０．１を用いた場合、焦点深度は６３μｍ、光（ビーム）径は７．７μｍになる。

特開平６−３４１８０９号公報

しかしながら、従来のマイケルソン干渉による装置では、対物レンズ３０４に球面又は非球面の１枚又は複数枚のレンズを用いており、対物レンズ３０４の開口数ＮＡにより、測定の深度と測定の分解能が決まっている。具体的には、測定の深度を大きくするには対物レンズ３０４の開口数ＮＡを小さくする必要があるが、開口数ＮＡが小さくなると測定の分解能が悪くなる。反対に、測定の分解能を高くするには、対物レンズ３０４の開口数ＮＡを大きくする必要があるが、開口数ＮＡを大きくすると測定の深度が浅くなる。このように、対物レンズ３０４に球面又は非球面の１枚又は複数枚のレンズを用いた場合、マイケルソン干渉による装置では、測定の大深度と測定の高分解能が、相反する関係になり、双方を両立することができない。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、測定の大深度と測定の高分解能の双方を両立することができる形状測定装置及び方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、平行光を出射する光源と、前記光源から出射した平行光を２つの光に分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで分岐した前記２つの光のうちの１つの光が透過し、この透過する光を、下記数式を満たす距離ρに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になる光に変えて、被測定物の表面に照射すると共に、前記被測定物の前記表面からの反射光又は後方散乱光が透過する円錐レンズと、前記ビームスプリッタで分岐した前記２つの光のうちのもう一方の光を反射する参照ミラーと、前記被測定物の前記表面に照射しかつ前記円錐レンズを透過した前記反射光又は後方散乱光と、前記参照ミラーからの反射光との干渉光を検出する検出器と、前記検出器で検出された前記干渉光を基に前記被測定物の前記表面の形状を測定する形状測定部と、を備えていることを特徴とする形状測定装置。
ρ＜Ｄ／｛２ｔａｎ（β）｝
ただし、β／２＝ｓｉｎ⁻¹｛ｎｓｉｎ（π／２−α／２）｝−π／２＋α／２
Ｄ：前記円錐レンズの有効径
α：前記円錐レンズの円錐形状の頂角
ρ：前記円錐レンズの頂点から前記被測定物までの前記光の光軸に沿った距離
ｎ：前記円錐レンズの屈折率

本発明の第２態様によれば、前記ビームスプリッタと前記円錐レンズとの間に配置され、前記円錐レンズの頂部に対応する領域を遮蔽する光学フィルタをさらに備える第１態様に記載の形状測定装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記ビームスプリッタと前記円錐レンズとの間に配置され、遮蔽部と前記遮蔽部の外周に配置されたドーナツ状の透過部とを有するシャッターを複数個さらに備え、前記複数個のシャッターの前記遮蔽部は前記円錐レンズの頂部に対応する領域を遮蔽し、前記複数個のシャッターの前記透過部のそれぞれの位置は互いに異なる位置に配置され、前記形状測定部は、前記複数個のシャッターを選択的に使用して、複数の前記被測定物の表面それぞれに対して前記円錐レンズからの前記光を選択的に照射して前記形状測定を行う測定部である第１態様に記載の形状測定装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記円錐レンズから前記被測定物に入射する前記光の光軸方向と直交する方向に前記被測定物を移動させて、前記被測定物の前記表面の形状を測定する被測定物移動装置をさらに備える、第１〜３のいずれか１つの態様に記載の形状測定装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、光源から出射された平行光を２つの光に分岐させ、分岐された前記２つの光のうちの１つの光を、円錐レンズにより下記数式を満たす距離ρに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になる光に変えて、被測定物の表面に照射させ、分岐した前記２つの光のうちのもう一方の光を参照ミラーで反射させ、前記被測定物の前記表面で反射し且つ前記円錐レンズを透過した反射光又は後方散乱光と、前記参照ミラーからの反射光との干渉光を検出し、検出された前記干渉光を基に前記被測定物の前記表面の形状を測定することを特徴とする形状測定方法。
ρ＜Ｄ／｛２ｔａｎ（β）｝
ただし、β／２＝ｓｉｎ⁻¹｛ｎｓｉｎ（π／２−α／２）｝−π／２＋α／２
Ｄ：前記円錐レンズの有効径
α：前記円錐レンズの円錐形状の頂角
ρ：前記円錐レンズの頂点から前記被測定物までの前記光の光軸に沿った距離
ｎ：前記円錐レンズの屈折率

本発明の第６態様によれば、ビームスプリッタで分岐した前記２つの光のうちの前記１つの光が前記円錐レンズを透過する時、前記ビームスプリッタと前記円錐レンズとの間に配置されたシャッターの前記円錐レンズの頂部に対応する領域の外周に配置されたドーナツ状の透過部を透過した前記１つの光が前記被測定物の第１表面で反射した第１反射光に基づいて、前記被測定物の第１表面の形状測定を行った後、前記ビームスプリッタで分岐した前記２つの光のうちの前記１つの光が前記円錐レンズを透過する時、前記シャッターとは異なる位置に透過部を有する別のシャッターを前記ビームスプリッタと前記円錐レンズとの間に配置し、前記別のシャッターの前記円錐レンズの頂部に対応する領域の外周に配置された前記別のシャッターのドーナツ状の透過部を透過した前記１つの光が前記被測定物の第２表面で反射した第２反射光に基づいて、前記被測定物の前記第１表面とは異なる前記第２表面の形状測定を行う、第５態様に記載の形状測定方法を提供する。

本発明の第７態様によれば、前記円錐レンズから前記被測定物に入射する前記光の光軸方向と直交する方向に前記被測定物を被測定物移動装置により移動させて、前記被測定物の前記表面の形状を測定する、第５又は６の態様に記載の形状測定方法を提供する。

本発明によれば、従来よりも大深度（例えば、従来よりも一桁又は二桁大きい焦点深度を持ち）且つ高分解能な（例えばサブミクロン以下の分解能を持つ）測定が可能な形状測定をすることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る形状測定装置８３の基本構成を示している。
図１において、１０１は光を出射する発光素子、１０２は発光素子１０１から出射された光を平行光１２０にするコリメータレンズであり、発光素子１０１とコリメータレンズ１０２とで平行光光源９０を構成している。また、１０３は、コリメータレンズ１０２からの平行光１２０を被測定物側と参照ミラー側との２つに分岐するためのビームスプリッタである。１０４は、ビームスプリッタ１０３で被測定物側に分岐された平行光の１つである第１平行光１２１Ａを被測定物１０５に照射するための、被測定物１０５と対向する出射側（被測定物１０５側）が円錐形状となった円錐レンズである。すなわち、ここで言う円錐レンズ１０４とは、少なくとも、出射側の形状が円錐形状となったレンズを意味する。円錐レンズ１０４の第１平行光１２１Ａに対する入射側（ビームスプリッタ１０３側）は、平面又は湾曲面でもよい。

１０６は、ビームスプリッタ１０３で分岐されたもう一つの平行光である第２平行光１２１Ｂを集光するレンズであり、１０７は、この第２平行光１２１Ｂを反射する参照用の反射ミラーである。参照用の反射ミラー１０７は、参照平面駆動部の一例としての反射ミラー移動装置９１により第２平行光１２１Ｂの光軸方向に進退移動可能となっている。受光部１０９で受光される光の干渉具合を調整するために、この反射ミラー移動装置９１により、参照平面として機能する参照用の反射ミラー１０７を図１の上下方向に駆動させることができる。１０８は、工業製品などの被測定物１０５からの反射光又は散乱光１２３と、参照用の反射ミラー１０７からの反射光１２４との２つの光１２３，１２４の干渉光を集光するレンズである。１０９は、集光された干渉光を検出する素子である検出器（例えば、フォトディテクター）である。

被測定物１０５を除く前述の構成要素により、形状検査装置８２を構成している。また、形状検査装置８２から可動ステージを除いた部分は、形状検査部８１である。この形状検査部８１が被測定物１０５に対して相対的に移動することにより、被測定物１０５の測定すべき面を検査することができる。

さらに、検出器１０９で検出された干渉光を基に被測定物１０５の表面の形状を測定する形状測定部８０を検出器１０９に接続して配置して、全体として、形状測定装置８３を構成している。形状測定部８０は、検出器１０９で検出された干渉光を基に、被測定物１０５の表面の形状を測定することができる、公知のソフトウェアなどで構成すればよい。なお、形状測定部８０の一例としては、図５Ａにも示すように、分光器８０Ａと、Ａ／Ｄ変換器８０Ｂと、パーソナルコンピュータ８０Ｃとで構成し、検出器１０９で検出された干渉光を分光器８０Ａで分光して必要な光のみを取り出す。分光器８０Ａで取り出された光に含まれるアナログ情報をＡ／Ｄ変換器８０Ｂでデジタル情報に変換したのち、パーソナルコンピュータ８０Ｃに内蔵された公知のソフトウェアなどで形状情報を得るようにすればよい。

発光素子１０１と、コリメータレンズ１０２と、ビームスプリッタ１０３と、円錐レンズ１０４と、被測定物１０５とは同一光軸上に配置されている。レンズ１０６と参照用の反射ミラー１０７とは、レンズ１０８と検出器１０９とに対して、発光素子１０１の光軸とは直交する方向沿いで且つビームスプリッタ１０３を挟んで同軸上に配置されている。

発光素子１０１の例としては、ＨｅＮｅレーザ又は半導体レーザなどがある。被測定物１０５は、被測定物１０５が保持されるＸ軸ステージ９２ｘとＸ軸ステージ９２ｘを移動可能に支持するＹ軸ステージ９２ｙとで構成される被測定物移動装置の一例としての可動ステージ９２で、ＸＹ方向にそれぞれ移動されるようにしている。Ｘ軸ステージ９２ｘは、Ｘ軸方向（図１の紙面を貫通する方向）に被測定物１０５を駆動させる機構である。Ｙ軸ステージ９２ｙは、Ｘ軸方向とは直交するＹ軸方向（図１の上下方向）に被測定物１０５を駆動させる機構である。この第１実施形態にかかる形状測定装置８３の形状検査装置８２では、Ｘ軸ステージ９２ｘとＹ軸ステージ９２ｙとを用いて、Ｘ軸ステージ９２ｘ上の載置部（図示せず）に載置された被測定物１０５を、形状検査部８１に対して相対的に移動させることで、被測定物１０５の測定すべき面の全面を検査できるようにしている。

なお、図１Ａでは、理解しやすくするため、光軸沿いに進む光の往路と復路とを互いに少し位置をずらせて示すようにしている。

以下、前述のように構成した第１実施形態に係る形状測定装置の動作を、円錐レンズ１０４の構造と共に、より詳細に説明する。

発光素子１０１から出射した光は、コリメートレンズ１０２により平行光１２０になる。

この平行光１２０は、ビームスプリッタ１０３により２つの平行光１２１Ａ，１２１Ｂに分岐する。ビームスプリッタ１０３からの第１平行光１２１Ａは、図２に示すように、頂角α［°］の円錐形状を有する屈折率ｎの円錐レンズ１０４の平らな底面１０４ｂに入射する。

円錐レンズ１０４に入射した第１平行光１２１Ａは、図２に示すように、以下の式（２）で表した光軸とのなす角（β／２）［°］を持って屈折する。

．．．．（２）

コリメータレンズ１０２から出射してビームスプリッタ１０３を介して円錐レンズ１０４に入射する第１平行光１２１Ａの光エネルギー密度をｉとし、円錐レンズ１０４の頂点１０４ａから任意の点（例えば、被測定物）８９までの第１平行光１２１Ａの光軸に沿った距離をρ［ｍｍ］（ただし、０＜ρ）、且つ第１平行光１２１Ａの光軸と円錐レンズ１０４の光軸と距離をｒ［ｍｍ］（ただし、０≦ｒ≦（Ｄ／２））とすると、頂点１０４ａから任意の点（例えば、被測定物）８９までの距離ρ、第１平行光１２１Ａの光軸と円錐レンズ１０４の光軸との距離ｒの点８９における光エネルギー密度Ｉ（ρ，ｒ）は、以下の式（３）のようになる。

．．．．（３）

式（３）のように、ビームプロファイルは１／ｒの曲線となり、光エネルギー密度Ｉは光軸上で極大となる。このような光エネルギー密度Ｉが高い距離ρの点８９は、円錐レンズ１０４の有効径をＤ［ｍｍ］とすると、式（４）のように表せる。

．．．．（４）

また、光エネルギー密度Ｉが高い距離ρの点８９での光（ビーム）スポットの直径をφ［μｍ］とすると、式（５）のように表せる。λ［ｎｍ］は光源から出射される光（ビーム）の波長である。

．．．．（５）

円錐レンズ１０４は、前記したような式が成立するような形状で構成する。

このような円錐レンズ１０４を透過した光（ビーム）１２２が被測定物１０５の表面に照射される。光（ビーム）１２２が被測定物１０５の表面に照射されたのち、被測定物１０５の表面からの反射光又は被測定物１０５の表面の後方散乱光１２３が円錐レンズ１０４を透過してビームスプリッタ１０３に入る。一方、コリメータレンズ１０２から出射してビームスプリッタ１０３を介して、さらに、集光レンズ１０６を介して参照用の反射ミラー１０７に入射する第２平行光１２１Ｂは、参照用の反射ミラー１０７で反射する。参照用の反射ミラー１０７で反射した反射光１２４は、集光レンズ１０６を介してビームスプリッタ１０３に入る。被測定物１０５の表面の反射光又は後方散乱光１２３と、参照ミラー１０７からの反射光１２４とは、再び、ビームスプリッタ１０３で結合されて干渉光となり、集光レンズ１０８を介して、干渉光が検出器１０９に入射して、検出器１０９で干渉光を検出する。

一例として、円錐レンズ１０４に材質ＢＫ７（屈折率ｎ＝１．５１５）を使用し、円錐レンズ１０４の頂角α＝１２０°、有効径Ｄ＝１０ｍｍとすると共に、光源の一例である発光素子１０１にλ＝６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザを用いる場合を、以下に説明する。

図３に、円錐レンズ１０４での距離ρと光（ビーム）の強度Ｉを強度の最大値で正規化したグラフ（矢印Ｉを参照）を示す。横軸は距離ρ、縦軸は光（ビーム）の強度Ｉである。このグラフに、比較のために、従来のように、光源の例である発光素子にλ＝６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ、開口数ＮＡ＝０．１の対物レンズを円錐レンズ１０４の代わりに用いた場合の距離ρと光（ビーム）の強度Ｉを強度の最大値で正規化したグラフ（矢印ＩＩを参照）を図３内に併記する。

図３のように、円錐レンズ１０４の場合（矢印Ｉを参照）の光エネルギー密度Ｉの高い距離ρの点は１１．４ｍｍに亘る。また、この光エネルギー密度Ｉの高い距離ρの点での光（ビーム）スポットの直径φを測定すると、１．５μｍになる。これに対して、従来では、前述の通り、対物レンズに開口数ＮＡ＝０．１の物を用いた場合（矢印ＩＩを参照）、その焦点深度は６３μｍでしかなかった（図３参照）。また、光（ビーム）径も７．７μｍと大きかった。よって、円錐レンズ１０４を使用することにより、従来の構成に比べて、１１．４／０．０６３＝約１８０倍も深い焦点深度と、１．５／７．７＝約１／５の微細な光（ビーム）径を得ることができる。

よって、このような深い焦点深度内において、より微細な水平分解能で、被測定物１０５からの反射光又は後方散乱光と参照ミラー１０７からの反射光との干渉光の強度を検出器１０９で検出し、形状測定部８０で形状を測定することができる。従って、本実施形態にかかる形状測定装置８３では、焦点深度が深いため、被測定物１０５の表面沿いにＸＹ方向に移動するだけで、被測定物１０５の厚さ方向（ＸＹ方向と直交する方向、すなわち、深さ方向）での形状測定もほとんど行うことができ、ほとんど被測定物１０５を深度方向に動かさずに形状測定を行うことができる。そのため、必要に応じて深度方向に移動させる程度でよい。言い換えれば、被測定物１０５の表面の凹凸の寸法が焦点深度内であれば、被測定物１０５の厚さ方向への走査は不要となり、単に、ＸＹ方向への移動（走査）のみで形状測定を行うことができて、測定誤差の発生を効果的に防止することができる。これに対して、従来の構成では、形状測定の焦点深度が浅いため、被測定物の表面沿いにＸＹ方向に移動させるだけでは深さ方向の形状測定がすべて行うことができず、深さ方向にも小刻みに移動させる必要があるため、煩雑であるとともに、測定誤差が発生しやすかった。

なお、発光素子１０１と、可動ステージ９２と、反射ミラー移動装置９１と、検出器１０９と、形状測定部８０とは、それぞれ制御装置６０に接続されて、これらの装置の動作は、制御装置６０により、それぞれ制御されて、形状測定動作を行うようにしている。

形状の測定においては、参照ミラー１０７を固定にし、被測定物１０５を可動ステージ９２でＸ方向又はＹ方向又はＸＹ方向に移動しつつ、反射光又は散乱光の干渉光を検出器１０９で検出してもよい。逆に、被測定物１０５を固定にし、参照ミラー１０７を反射ミラー移動装置９１で移動しつつ、反射光又は散乱光の干渉光を検出器１０９で検出してもよい。

前記のような光（照射ビーム）を用いて、被測定物１０５の形状測定を行うことにより、大深度且つ高分解能な測定が可能な形状測定装置８３を実現することができる。

（第２実施形態）
図４Ａ及び図４Ｂは本発明の第２実施形態にかかる形状測定装置の一部の構成を示している。

第２実施形態では、第１実施形態に加えて、円錐レンズ１０４の手前（発光素子１０１側）に光学フィルタ６０１を配置している。光学フィルタ６０１としては、例えば同心円状の光の透過部６０１ｂ（図４Ａ及び図４Ｂの白抜き部分）と透過部６０１ｂ以外の領域に配置されて光が遮蔽されるマスク部（遮蔽部）６０１ａ（図４Ａ及び図４Ｂの黒色部分）とを形成したものを用いることができる。このマスク部６０１ａにより、円錐レンズ１０４の頂点１０４ａ付近の頂部での円錐レンズ１０４の加工誤差により、その頂部付近での形状精度が十分でないために、頂部付近で乱れた光（ビーム）を遮蔽して無くすることができる。加工誤差を除去するための、マスク部６０１ａの最低範囲としては、直径１μｍの範囲である。外周のマスク部６０１ｃは任意であり、無くてもよい。

このようにマスク部６０１ａを設ける具体的な例としては、有効径Ｄが１０ｍｍの円錐レンズ１０４において、頂部付近の直径１０μｍ程度の範囲内は、加工上、形状が鋭角にならず、形状がだれることがある。そのため、頂部回りに直径２ｍｍ以上の領域をマスクしてマスク部６０１ａを形成し、マスク部６０１ａにより遮光することで、加工誤差により乱れた光（ビーム）の領域を無くすことができる。

この第２実施形態での形状測定の手順は、前述の第１実施形態と同様である。

なお、本実施形態においては、被測定物１０５からの反射光又は後方散乱光は、入射した時と同軸で逆方向の光路で光学フィルタ６０１を通り、検出器１０９で検出される。

また、被測定物１０５の測定すべき面の形状の測定においては、参照ミラー１０７を固定にし、被測定物１０５を可動ステージ９２でＸ方向又はＹ方向又はＸＹ方向に移動させつつ、反射光又は散乱光の干渉光を検出器１０９で検出してもよい。逆に、被測定物１０５を固定にし、参照ミラー１０７を反射ミラー移動装置９１で移動させつつ、反射光又は散乱光の干渉光を検出器１０９で検出してもよいことも同様である。

（第３実施形態）
図５Ａは、前述の第１実施形態に係る形状測定装置の１つの具体的な構成例を示している。図５Ｂは、前述の第１実施形態に係る形状測定装置を使用して、複数のレンズの表裏面の形状を検査する場合の説明図である。図５Ａ及び図５Ｂでは、理解しやすくするため、光軸中心を進む光の往路と復路とを少し位置をずらせて示すようにしている。図５Ｃ〜図５Ｇは本発明の第３実施形態にかかる形状測定装置の一部の構成をそれぞれ示している。図５Ｈは、前述の第１実施形態に係る形状測定装置を使用して形状測定動作を行なうときの手順を示すフローチャートである。

測定対象物（被検レンズ）である被測定物１０５の具体的な例としては、図５Ａに示すように、デジタル・スチル・カメラ（ＤＳＣ）のレンズ鏡筒等のように、複数の被検レンズ１０５Ａ，１０５Ｂが同軸で備えられたものを測定対象物（被検レンズ）とする。ただし、図５Ａでは、簡略化するため、レンズ鏡筒自体は省略して複数の被検レンズ１０５Ａ，１０５Ｂのみを図示している。

このような測定対象物である複数の被検レンズ１０５Ａ，１０５Ｂの表裏面（第１被検レンズ１０５Ａの表面１０５Ａａと裏面１０５Ａｂ、及び、第２被検レンズ１０５Ｂの表面１０５Ｂａと裏面１０５Ｂｂ）の形状を図５Ｂに示すように検査する場合、レンズ鏡筒として組んだ状態で、それぞれの被検レンズ１０５Ａ，１０５Ｂの表裏面（第１被検レンズ１０５Ａの表面１０５Ａａと裏面１０５Ａｂ、及び、第２被検レンズ１０５Ｂの表面１０５Ｂａと裏面１０５Ｂｂ）を検査したいが、そのためには、発光素子１０１及び円錐レンズ１０４を被検レンズ１０５Ａ，１０５Ｂに対して相対的に移動させる必要がある。

しかしながら、測定精度及び測定速度（タクトタイム）を考えると、発光素子１０１及び円錐レンズ１０４を被検レンズ１０５Ａ，１０５Ｂに対して移動させないことが望ましい。

そこで、本発明の第３実施形態にかかる形状測定装置では、直径の異なる複数のドーナツ状のシャッター７０，７１，７２，７３を用意し、図５Ｃ〜図５Ｇのようにして、複数のシャッター７０，７１，７２，７３を切替え、図５Ｂのように、被測定物１０５の各表裏面に焦点が合うように調整する。

すなわち、まず、図５Ｃ及び図５Ｄに示すように、第１シャッター７０は、同心円状の光の透過部７０ｂを、円錐レンズ１０４の頂部の周囲付近に対応する領域に形成し、残りの部分（頂部及び透過部７０ｂの外周部）にはマスク部（遮蔽部）７０ａを形成して構成している。このように構成すれば、透過部７０ｂを透過した光が、円錐レンズ１０４により、第１被検レンズ１０５Ａの表面１０５Ａａに焦点を結び、表面１０５Ａａで反射したのち、再び、透過部７０ｂを透過してビームスプリッタ１０３に向かうことにより、表面１０５Ａａの形状を検出することができる。なお、この例では、透過部７０ｂの面積と中央側のマスク部７０ａの面積とがほぼ同じ程度になるようにしている。

また、図５Ｅに示すように、第２シャッター７１は、同心円状の光の透過部７１ｂを、透過部７０ｂの位置よりも外周部側に、すなわち、円錐レンズ１０４の頂部と外周部との中間部に対応する領域に形成し、残りの部分（透過部７１ｂの光軸中心側の部分と透過部７１ｂの外周部）にはマスク部７１ａを形成して構成している。このように構成すれば、透過部７１ｂを透過した光が、円錐レンズ１０４により、第１被検レンズ１０５Ａを透過して、第１被検レンズ１０５Ａの裏面１０５Ａｂに焦点を結び、裏面１０５Ａｂで反射したのち、再び、第１被検レンズ１０５Ａ及び透過部７１ｂを透過してビームスプリッタ１０３に向かうことにより、裏面１０５Ａｂの形状を検出することができる。

また、図５Ｆに示すように、第３シャッター７２は、同心円状の光の透過部７２ｂを、透過部７１ｂの位置よりも外周部側の位置に形成し、残りの部分（透過部７２ｂの光軸中心側の部分と透過部７２ｂの外周部）にはマスク部７２ａを形成して構成している。このように構成すれば、透過部７２ｂを透過した光が、円錐レンズ１０４により、第１被検レンズ１０５Ａを透過して、第２被検レンズ１０５Ｂの表面１０５Ｂａに焦点を結び、表面１０５Ｂａで反射したのち、再び、第１被検レンズ１０５Ａ及び透過部７２ｂを透過してビームスプリッタ１０３に向かうことにより、表面１０５Ｂａの形状を検出することができる。

また、図５Ｇに示すように、第４シャッター７３は、同心円状の光の透過部７３ｂを、透過部７２ｂの位置よりも外周部側の位置に形成し、残りの部分（透過部７３ｂの光軸中心側の部分と透過部７３ｂの外周部）にはマスク部７３ａを形成して構成している。このように構成すれば、透過部７３ｂを透過した光が、円錐レンズ１０４により、第１被検レンズ１０５Ａを透過して、第２被検レンズ１０５Ｂの裏面１０５Ｂｂに焦点を結び、裏面１０５Ｂｂで反射したのち、再び、第１被検レンズ１０５Ａ及び透過部７３ｂを透過してビームスプリッタ１０３に向かうことにより、裏面１０５Ｂｂの形状を検出することができる。

このようにして、第１〜第４シャッター７０，７１，７２，７３を適宜切替えながら調整することにより、円錐レンズ１０４等の光学系の移動を行なうことなく、被検レンズ１０５Ａ，１０５Ｂの各表裏面に焦点を合せることができる。このように複数個のシャッターを使用することにより、１枚目の被検レンズすなわち第１被検レンズ１０５Ａの表面１０５Ａａと裏面１０５Ａとの形状測定を行うとき、２枚目以降の被検レンズすなわち第２被検レンズ１０５Ｂの表面１０５Ｂａと裏面１０５Ｂｂに焦点深度が合う光を除去することができて、２枚目以降の被検レンズに対する干渉が発生しないようにすることができ、１枚目の被検レンズの形状測定を精度良く行うことができる。

なお、先の光学フィルタ６０１を配置することにより、第１〜第４シャッター７０，７１，７２，７３のそれぞれの頂部付近の領域の遮蔽部を省略して、頂部付近の領域を全て透過部とすることもできる。

この第１〜第４シャッター７０，７１，７２，７３の切り替え装置６１は、例えば、円板部材に第１〜第４シャッター７０，７１，７２，７３を固定しておき、モータなどの回転駆動装置で円板部材を所定角度回転させて、第１〜第４シャッター７０，７１，７２，７３のうちの所望のシャッターを光軸上に位置させて、図５Ｃ〜図５Ｇのいずれかの状態となるように制御することが可能である。このようなシャッターの切り替え動作の制御は、形状測定装置全体の動作を制御する制御装置６０で行なうことができる。制御装置６０は、発光素子１０１と、可動ステージ９２と、反射ミラー移動装置９１と、検出器１０９と、形状測定部８０と、切り替え装置６１との動作をそれぞれ制御するものである。

このような形状測定装置８３による形状測定動作について、図５Ｈを基に説明する。
なお、この形状測定動作は、制御装置６０での動作制御の下に行われる。

測定開始後、まず、ステップＳ１で、発光素子１０１からコリメータレンズ１０２とビームスプリッタ１０３と円錐レンズ１０４とを透過して、被測定物１０５の表面にレーザ照射を行う。

次いで、ステップＳ２で、被測定物１０５の表面で反射した反射光又は表面の後方で散乱した後方散乱光が、円錐レンズ１０４を透過して、参照ミラー１０７からの反射光と、ビームスプリッタ１０３で結合されて干渉光となり、集光レンズ１０８を介して、干渉光が検出器１０９で検出される。すなわち、被測定物１０５の表面と参照用の反射ミラー１０７の波長毎の干渉強度を検出器１０９で検出する。

次いで、ステップＳ３で、検出器１０９を介して形状測定部８０の分光器８０Ａで検出された干渉強度を、Ａ／Ｄ変換器８０Ｂでデジタル情報に変換したのち、パーソナルコンピュータ８０Ｃに取り込み、そのデジタル情報をフーリエ変換する。

次いで、ステップＳ４で、ステップＳ３でデジタル情報をフーリエ変換することで求めてデジタル情報から高さ情報を得ることによって、被測定物１０５の表面の形状の測定が完了する。

前記ステップＳ１〜ステップＳ４を、切り替え装置６１を駆動して、第１〜第４シャッター７０，７１，７２，７３のそれぞれについて行うことにより、複数のレンズ１０５Ａ，１０５Ｂの表裏面（第１レンズ１０５Ａの表面１０５Ａａと裏面１０５Ａｂ、及び、第２レンズ１０５Ｂの表面１０５Ｂａと裏面１０５Ｂｂ）の形状を検査することができる。

さらに、通常、各被測定物１０５の表面に焦点を合せる際に、測定対象物（被検レンズ）の被測定物１０５が球面又は非球面のどちらの場合においても、焦点が、被測定物１０５の表面形状をなぞるように、円錐レンズ１０４等の光学系を動かす必要がある。

しかしながら、本発明では、前述の構成を用いることにより（特に、円錐レンズ１０４を使用することにより）、光軸深さ方向にマージンを有する検査（言い換えれば、円錐レンズ１０４を使用して深い焦点深度Ｍ（図５Ｉ参照）を利用しながら検査）を行うことが可能となっている。

そのため、被測定物１０５の表面形状の設計値等のデータが既知の場合は、光軸深さ方向において、図５Ｉに示すように、被測定物１０５の表面の中央付近に焦点１２２ａを合せることで、被測定物１０５の表面を検査する場合に、円錐レンズ１０４等を全く動かすことなく、検査を行うことが可能である。これは、分光器８０Ａで検出してフーリエ変換を行なうことで円錐レンズ１０４等を全く動かさずに検査を行うことが、円錐レンズ１０４や参照ミラー１０７を動かして検査を行うことと、光学的に等価であるためです。

上記第１〜第３実施形態によれば、平行光光源９０から出射した平行光１２０をビームスプリッタ１０３で２つの平行光１２１Ａ，１２１Ｂに分岐し、分岐した光の１つの平行光１２１Ａを、円錐レンズ１０４により、前記数式（４）及び（２）を満たす距離ρに亘って光軸上のエネルギー密度Ｉが極大になる光（ビーム）１２２に変えて被測定物１０５の表面に照射し、分岐した光のもう１つの平行光１２１Ｂは参照ミラー１０７に照射し、前記被測定物１０５の表面に照射した光（ビーム）１２２の反射光又は後方散乱光１２３と、参照ミラー１０７からの反射光１２４との干渉光を検出器１０９で検出し、検出器１０９で検出された干渉光を基に被測定物１０５の表面の形状を形状測定部８０で測定する。このような構成であるため、従来よりも大深度（例えば、従来よりも一桁又は二桁大きい焦点深度を持ち）且つ高分解能な（例えばサブミクロン以下の分解能を持つ）形状測定を行うことができる。

すなわち、対物レンズに球面又は非球面の１枚又は複数枚のレンズを用いたマイケルソン干渉による従来の形状測定装置では、対物レンズの開口数ＮＡにより測定の深度と測定の分解能が決まり、深い測定の深度と高い測定の分解能が、相反する関係になり、双方を両立することができなかった。しかしながら、上記第１〜第３実施形態によれば、上記式（４）及び（２）を満たす構成の円錐レンズ１０４を使用することにより、従来よりも大深度（例えば、従来よりも一桁又は二桁大きい焦点深度を持ち）且つ高分解能な（例えばサブミクロン以下の分解能を持つ）形状測定を行うことができる。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明により、被測定物の形状を大深度且つ高分解能に測定すること可能な、工業製品（例えば、レンズ）などの被測定物（測定対象物）の表面又は裏面の形状を測定する形状測定装置及び方法として有用である。

本発明の第１実施形態における形状測定装置の基本構成の図 前記第１実施形態における前記形状測定装置の円錐レンズの動作を説明する図 距離ρと光エネルギー密度Ｉとを、本発明の第１実施形態の円錐レンズの場合と従来の対物レンズの場合とで比較するグラフ 本発明の第２実施形態における形状測定装置の光学フィルタの動作を説明する断面図 本発明の第２実施形態における形状測定装置の光学フィルタの平面図 前記第１実施形態に係る形状測定装置の１つの具体的な構成例を示す図 前記第１実施形態に係る形状測定装置を使用して、複数のレンズの表裏面の形状を検査する場合の説明図 本発明の第３実施形態にかかる形状測定装置の一部の構成を示す説明図 前記第３実施形態にかかる形状測定装置の一部の構成を示す説明図 前記第３実施形態にかかる形状測定装置の一部の構成を示す説明図 前記第３実施形態にかかる形状測定装置の一部の構成を示す説明図 前記第３実施形態にかかる形状測定装置の一部の構成を示す説明図 前記第３実施形態に係る形状測定装置を使用して形状測定動作を行なうときの手順を示すフローチャート 前記第３実施形態に係る形状測定装置を使用して形状測定動作を行なうときの被検レンズの説明図 従来の形状測定装置の構成の図 従来の形状測定装置の問題点を説明する図

６０ 制御装置
６１ 切り替え装置
７０ 第１シャッター
７０ａ 透過部
７０ｂ マスク部
７１ 第２シャッター
７１ａ 透過部
７１ｂ マスク部
７２ 第３シャッター
７２ａ 透過部
７２ｂ マスク部
７３ 第４シャッター
７３ａ 透過部
７３ｂ マスク部
８０ 形状測定部
８０Ａ 分光器
８０Ｂ Ａ／Ｄ変換器
８０Ｃ パーソナルコンピュータ
８１ 形状検査部
８２ 形状検査装置
８３ 形状測定装置
８９ 任意の点
９０ 平行光光源
９１ 反射ミラー移動装置
９２ 可動ステージ
９２ｘ Ｘ軸ステージ
９２ｙ Ｙ軸ステージ
１０１ 発光素子
１０２ コリメータレンズ
１０３ ビームスプリッタ
１０４ 円錐レンズ
１０４ａ 頂点
１０４ｂ 底面
１０５ 被測定物
１０５Ａ 第１被検レンズ
１０５Ａａ 表面
１０５Ａｂ 裏面
１０５Ｂ 第２被検レンズ
１０５Ｂａ 表面
１０５Ｂｂ 裏面
１０６ 集光レンズ
１０７ 参照ミラー
１０８ 集光レンズ
１０９ 検出器
１２０ 平行光
１２１ 平行光
３０４ 従来の対物レンズ
６０１ 光学フィルタ
６０１ａ マスク
６０１ｂ 光の透過部

Claims (7)

1. 平行光を出射する光源と、
   前記光源から出射した平行光を２つの光に分岐するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタで分岐した前記２つの光のうちの１つの光が透過し、この透過する光を、下記数式を満たす距離ρに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になる光に変えて、被測定物の表面に照射すると共に、前記被測定物の前記表面からの反射光又は後方散乱光が透過する円錐レンズと、
   前記ビームスプリッタで分岐した前記２つの光のうちのもう一方の光を反射する参照ミラーと、
   前記被測定物の前記表面に照射しかつ前記円錐レンズを透過した前記反射光又は後方散乱光と、前記参照ミラーからの反射光との干渉光を検出する検出器と、
   前記検出器で検出された前記干渉光を基に前記被測定物の前記表面の形状を測定する形状測定部と、を備えていることを特徴とする形状測定装置。
   ρ＜Ｄ／｛２ｔａｎ（β）｝
   ただし、β／２＝ｓｉｎ⁻¹｛ｎｓｉｎ（π／２−α／２）｝−π／２＋α／２
   Ｄ：前記円錐レンズの有効径
   α：前記円錐レンズの円錐形状の頂角
   ρ：前記円錐レンズの頂点から前記被測定物までの前記光の光軸に沿った距離
   ｎ：前記円錐レンズの屈折率
2. 前記ビームスプリッタと前記円錐レンズとの間に配置され、前記円錐レンズの頂部に対応する領域を遮蔽する光学フィルタをさらに備える請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記ビームスプリッタと前記円錐レンズとの間に配置され、遮蔽部と前記遮蔽部の外周に配置されたドーナツ状の透過部とを有するシャッターを複数個さらに備え、
   前記複数個のシャッターの前記遮蔽部は前記円錐レンズの頂部に対応する領域を遮蔽し、
   前記複数個のシャッターの前記透過部のそれぞれの位置は互いに異なる位置に配置され、
   前記形状測定部は、前記複数個のシャッターを選択的に使用して、複数の前記被測定物の表面それぞれに対して前記円錐レンズからの前記光を選択的に照射して前記形状測定を行う測定部である、請求項１に記載の形状測定装置。
4. 前記円錐レンズから前記被測定物に入射する前記光の光軸方向と直交する方向に前記被測定物を移動させて、前記被測定物の前記表面の形状を測定する被測定物移動装置をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１つに記載の形状測定装置。
5. 光源から出射された平行光を２つの光に分岐させ、
   分岐された前記２つの光のうちの１つの光を、円錐レンズにより下記数式を満たす距離ρに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になる光に変えて、被測定物の表面に照射させ、
   分岐した前記２つの光のうちのもう一方の光を参照ミラーで反射させ、
   前記被測定物の前記表面で反射し且つ前記円錐レンズを透過した反射光又は後方散乱光と、前記参照ミラーからの反射光との干渉光を検出し、
   検出された前記干渉光を基に前記被測定物の前記表面の形状を測定することを特徴とする形状測定方法。
   ρ＜Ｄ／｛２ｔａｎ（β）｝
   ただし、β／２＝ｓｉｎ⁻¹｛ｎｓｉｎ（π／２−α／２）｝−π／２＋α／２
   Ｄ：前記円錐レンズの有効径
   α：前記円錐レンズの円錐形状の頂角
   ρ：前記円錐レンズの頂点から前記被測定物までの前記光の光軸に沿った距離
   ｎ：前記円錐レンズの屈折率
6. ビームスプリッタで分岐した前記２つの光のうちの前記１つの光が前記円錐レンズを透過する時、前記ビームスプリッタと前記円錐レンズとの間に配置されたシャッターの前記円錐レンズの頂部に対応する領域の外周に配置されたドーナツ状の透過部を透過した前記１つの光が前記被測定物の第１表面で反射した第１反射光に基づいて、前記被測定物の第１表面の形状測定を行った後、
   前記ビームスプリッタで分岐した前記２つの光のうちの前記１つの光が前記円錐レンズを透過する時、前記シャッターとは異なる位置に透過部を有する別のシャッターを前記ビームスプリッタと前記円錐レンズとの間に配置し、前記別のシャッターの前記円錐レンズの頂部に対応する領域の外周に配置された前記別のシャッターのドーナツ状の透過部を透過した前記１つの光が前記被測定物の第２表面で反射した第２反射光に基づいて、前記被測定物の前記第１表面とは異なる前記第２表面の形状測定を行う、請求項５に記載の形状測定方法。
7. 前記円錐レンズから前記被測定物に入射する前記光の光軸方向と直交する方向に前記被測定物を被測定物移動装置により移動させて、前記被測定物の前記表面の形状を測定する、請求項５または６に記載の形状測定方法。

Images