JP2010217124A - 形状測定装置及び方法 - Google Patents
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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
【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。
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/NA2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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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 - 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。
- 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。 - 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。
- 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 - 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。 - 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。
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