JP2013007613A - 形状測定装置、及び形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料を詳細かつ適切に評価することができる形状測定装置、及び形状測定方法を提供する。
【解決手段】本発明の一態様にかかる形状測定装置は、観察窓５１と、基板５４とを有する試料保持ユニット１１と、観察窓５１又は基板５４を介して、試料５３を加圧するシリンダ５６、５７と、試料５１の形状を測定するため試料５１を照明するとともに、照明光の焦点位置を光軸方向に走査可能な共焦点光学系３０と、共焦点光学系３０を介して、試料保持ユニット１１に保持された試料からの反射光を検出するラインセンサ１５〜１７と、焦点位置を光軸方向に走査した時での検出結果によって、形状を測定する処理部１８と、を備え、観察窓５１の表面５１ａに焦点位置を合わせて、観察窓５１の表面形状を測定するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置、及び形状測定方法に関し、特に詳しくは共焦点光学系を用いて試料の形状を測定する形状測定装置、及び形状測定方法に関する。

紙、繊維、高分子フィルム、Ｌｉイオン電池などの電極材、皮膚等の試料について、比較的マクロな表面形状、表面粗さを測定することは、製品の品質改良や研究開発の上で重要である。シート状試料の固有の表面形状や粗さを測定する場合は、シート自身のタワミやしわなどを排除するために平坦化する必要がある。さらに、試料が加工や使用される環境下で測定することも重要であり、場合によっては試料に圧力をかけた状態や液体中で測定したいという要求や、圧力により表面形状や圧媒との接触面積がどのように変化するのか測定したいという要求も生じている。

このような試料の表面形状を測定する方法として、触診式表面形状測定装置がある、しかしながら、試料を平坦化する圧媒があるため試料表面に接触することができない。また、シートを平坦化する方法として、エアによる吸着や静電気による吸着固定が考えられるが、十分な平坦性が得られない。従って、試料表面に圧媒がある場合、非接触での測定が必要となる。非接触で測定する方法として、共焦点顕微鏡や干渉計がある。

特許文献１には、共焦点光学系により、シート状繊維材を評価する評価装置が開示されている。対物レンズからの光が透明板を介してシート状繊維材に入射している。シート状繊維材の貫通箇所を通過して、反射部材で反射した光を検出することで、貫通箇所を観察している。さらに、反射部材と透明板でシート状繊維材を挟んだ状態とすることで、加圧状態にしている（図３、段落００３７）。

また、特許文献２には、化学的機械的研磨パッドサンプルを共焦点顕微鏡検査するためのサンプルホルダが開示されている。このサンプルホルダは、上側透明窓と下側パッド保持手段と、上側透明窓保持手段とを備えている。そして、下側パッド保持手段は、パッドを透明窓に対して押し当てるために設けられている。

特開２００５−８３７９５号公報 特開２００９−２８２００８号公報

しかしながら、試料を加圧した状態で、形状を測定する場合、以下に示す問題点がある。例えば、試料の両側から加圧すると、圧力が一定とならないことがある。この場合、加わる圧力分布によって、試料自体が変形してしまう。従って、表面形状を光学的に測定しても、試料に加わる圧力の分布や変化が分からずに、試料を適切かつ詳細に評価することができないという問題点がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、試料を適切かつ詳細に評価することができる形状測定装置、及び形状測定方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る形状測定装置は、試料の表面側に配置された観察窓と、試料の裏面側に配置された裏面側保持部材とを有する試料保持ユニットと、前記観察窓及び前記裏面側保持部材の少なくとも一方を介して、前記試料を加圧する加圧機構と、前記試料の形状を測定するため前記試料を照明するとともに、照明光の焦点位置を光軸方向に走査可能な共焦点光学系と、前記共焦点光学系を介して、前記試料保持ユニットに保持された試料からの反射光を検出する検出部と、前記焦点位置を光軸方向に走査した時の前記検出部での検出結果によって、形状を測定する処理部と、を備え、前記観察窓の表面に前記焦点位置を合わせて、前記観察窓の表面形状を測定するものである。これにより、加圧した状態での測定を行うことができ、試料を適切かつ詳細に評価することができる。

本発明の第２の態様に係る形状測定装置は、上記の形状測定装置であって、前記加圧機構による圧力を変化させた前後で、前記観察窓の表面形状を測定するものである。これにより、加圧による変形量を求めることができるため、試料を適切かつ詳細に評価することができる。

本発明の第３の態様に係る形状測定装置は、上記の形状測定装置であって、前記観察窓の裏面に前記焦点位置を合わせた時の反射光の検出結果に基づいて、前記観察窓と前記試料とが接触している接触位置を検出するものである。これにより、試料を適切かつ詳細に評価することができる。

本発明の第４の態様に係る形状測定装置は、上記の形状測定装置であって、前記光軸方向における反射光強度のプロファイルからピークを検出し、前記ピークの検出結果に基づいて、前記接触位置を特定するものである。これにより、正確に接触位置を検出することができるため、試料を適切かつ詳細に評価することができる。

本発明の第５の態様に係る形状測定装置は、上記の形状測定装置であって、前記接触位置の検出結果から、前記試料と前記観察窓が接触している接触面積、及び前記観察窓と前記試料との隙間の体積の少なくとも一方を求めることを特徴とするものである。これにより、試料を適切かつ詳細に評価することができる。

本発明の第６の態様に係る形状測定装置は、上記の形状測定装置であって、前記観察窓の裏面側に、所定波長の光の反射を防止する反射防止膜が形成され、前記検出部が前記所定波長の光を検出する第１のチャネルと、前記所定波長を除く光を検出する第２のチャネルとを、備えており、前記第２のチャネルでの測定結果に基づいて、前記接触位置を検出し、前記接触位置以外での前記第１のチャネルの測定結果によって、前記接触位置における前記試料表面の測定位置を補間するものである。これにより、高いＳ／Ｎ比での測定が可能となる。

本発明の第７の態様に係る形状測定装置は、試料の表面側に配置された観察窓と、前記試料の裏面側に配置された裏面側保持部材とで前記試料を保持するステップと、前記観察窓及び前記裏面側保持部材の少なくとも一方を介して、前記試料を加圧するステップと、前記試料を加圧した状態で、共焦点光学系を用いて、前記観察窓側から前記試料に照明光を照射するとともに、前記試料からの反射光を検出するステップと、前記照明光の焦点位置を光軸方向に走査した時の前記反射光の検出結果から、前記試料の形状を測定するステップと、前記観察窓の表面に前記焦点位置を合わせて、前記観察窓の表面形状を測定するステップと、を備えるものである。

本発明の第８の態様に係る形状測定装置は、上記の測定装置であって、前記加圧機構による圧力を変化させた前後で、前記観察窓の表面形状を測定するものである。これにより、加圧による変形量を求めることができるため、試料を適切かつ詳細に評価することができる。

本発明の第９の態様に係る形状測定装置は、上記の測定装置であって、前記圧力を変化させた前後の前記観察窓の変形量に基づいて、前記試料に対する圧力分布を測定するものである。これにより、圧力分布が分かった状態で試料の形状を測定することができるため、試料を適切かつ詳細に評価することができる

本発明の第１０の態様に係る形状測定装置は、上記の測定装置であって、前記観察窓の裏面に前記焦点位置を合わせて、前記観察窓と前記試料とが接触している接触位置を検出するものである。

本発明の第１１の態様に係る形状測定装置は、上記の測定装置であって、前記光軸方向における前記反射光強度のプロファイルからピークを検出し、前記ピークの検出結果に基づいて、前記接触位置を特定するものである。これにより、試料を適切かつ詳細に評価することができる。

本発明の第１２の態様に係る形状測定装置は、上記の測定装置であって、前記観察窓の裏面側に、所定波長の光の反射を防止する反射防止膜が形成され、前記反射光を検出する検出部が前記所定波長の光を検出する第１のチャネルと、前記所定波長を除く光を検出する第２のチャネルとを、備えており、前記第２のチャネルでの測定結果に基づいて、前記接触位置を検出し、前記接触位置以外での前記第１のチャネルの測定結果によって、前記接触位置における前記試料表面の測定位置を補間するものである。これにより、高いＳ／Ｎ比での測定が可能となる。

本発明によれば、試料を適切かつ詳細に評価することができる形状測定装置、及び形状測定方法を提供することができる。

形状測定装置の光学系を示す全体図である。 試料を保持する試料保持ユニットを示す側面断面図である。 観察窓と試料の断面構造、並びに反射光強度のＺ方向プロファイルを示す図である。 反射防止膜の反射特性を示す図である。 図５（ａ）は試料の断面構造を示す図であり、図５（ｂ）は観察窓の表面形状プロファイルを示す図である。 観察窓表面の高さ像を示す図である。 図７（ａ）は試料の断面構造を示す図であり、図７（ｂ）は観察窓裏面の全焦点反射像を示す図である。 試料表面の高さ像を示す図である。 接触位置における反射光強度のＺ方向プロファイルを示す図である。 試料である樹脂を加圧した時の観察窓裏面の反射像を示す図である。 図１０の反射像を２値化した２値化画像を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。

（全体構成）
本実施形態に係る形状測定装置について、図１を用いて説明する。図１は本発明による形状測定装置の一例の構成を示す線図である。本実施形態の係る形状測定装置は、共焦点顕微鏡を用いたものである。形状測定装置には、光源１と、光ファイババンドル２と、スリット４と、ハーフミラー５と、レンズ６と、振動ミラー７と、リレーレンズ８と、リレーレンズ９と、対物レンズ１０等を有する共焦点光学系３０が設けられている。なお、以下の説明では、共焦点光学系３０が、スリットを用いてライン状の光で照明するスリットコンフォーカル光学系（ラインコンフォーカル光学系）として説明するが、共焦点光学系３０はピンホール等を用いてスポット状の光で照明する通常の共焦点光学系であってもよい。

光源１として、水銀ランプやキセノンランプ等の白色光を放出する白色光源を用いる。光源１から出射した白色光は、複数の光ファイバが円形に積層された光ファイババンドル２に入射し、光ファイバを伝搬して、断面がほぼ円形の発散性ビームとして出射する。当該照明ビームは、光源から出射した照明ビームをライン状の照明ビームに変換するビーム整形光学系を構成する。ビーム整形光学系は、集束性レンズ３とスリット４を含み、光ファイババンドル２から出射した照明ビームは、集束性レンズ３により平行な照明ビームに変換されてスリット４に入射する。スリット４は、集束性レンズ３の瞳位置に配置され、第１の方向（紙面と直交する方向）に延在する開口部を通過する。スリットの開口部の幅は、例えば１０〜２０μｍに設定する。従って、スリット４から第１の方向に延在するライン状の照明ビームが出射する。スリット４から出射したライン状の照明ビームは、ビームスプリッタとして機能するハーフミラー５で反射し、レンズ６を経て振動ミラー７に入射する。

振動ミラー７は、後述する処理部１８からの供給される駆動信号に基づき、入射するライン状の照明ビームを第１の方向と直交する第２の方向に周期的に偏向する。振動ミラーから出射したビームはリレーレンズ８及び９を経て対物レンズ１０に入射する。対物レンズ１０は、入射したライン状照明ビームを集束して観察すべき試料保持ユニット１１上に投射する。従って、試料保持ユニット１１は、集束したライン状の照明ビームにより２次元的に走査される。尚、対物レンズ１０は、倍率の異なる複数の対物レンズがレボルバーに搭載され、レボルバーを回動することにより、所望の倍率の対物レンズを用いて観察することが可能である。また、レボルバーは、光軸方向に移動可能に装着され、アクチュエータ（図示せず）により光軸方向に移動することができる。

試料保持ユニット１１は、測定対象である試料を保持して、測定に必要な環境を作り出す環境セルとなる。これにより、所望の環境下での測定、評価を行うことができる。なお、試料保持ユニット１１の構成については、後述する。試料保持ユニット１１は、ＸＹステージ１２上に載置されている。ＸＹステージ１２をＸＹ方向に駆動することにより、試料保持ユニット１１に保持された試料の所望の部位を観察することが可能である。

試料表面等から出射したライン状の反射ビームは、対物レンズ１０により集光され、元の光路を反対方向に伝搬する。そして、リレーレンズ９及び８を経て振動ミラー７に入射し、振動ミラー７によりデスキャンされる。振動ミラー７から出射した反射ビームは、レンズ６を通過し、ハーフミラー５により照明ビームから分離される。尚、レンズ６は、光源から試料に向かう照明ビームに対してはリレーレンズとして作用し、試料から光検出器に向かう反射ビームに対しては結像レンズとして作用する。

ハーフミラー５を透過した反射ビームは、ポジショナ１３に入射する。このポジショナ１３は平行平面板で構成され、光軸に対する角度を調整することにより、反射ビームの光軸からの変位量が調整され、後述するラインセンサ１５〜１７に入射する位置を調整することができる。ポジショナから出射したライン状の反射ビームは、色分解光学系として機能する分光プリズム１４に入射し、ＲＧＢの３つのカラー光に色分解される。尚、分光プリズム１４ではなく、ダイクロイックミラー等でＲＧＢの３色の光に分離しても良い。

色分解されたＲＧＢの各カラー光は、ラインセンサ１５〜１７にそれぞれ入射する。各ラインセンサ１５〜１７は複数の受光素子を有し、これら受光素子は、ライン状照明ビームの延在方向である第１の方向と対応する方向に配列される。従って、入射するライン状反射ビームの延在方向と各ラインセンサの受光素子の配列方向とが一致し、試料からの反射ビームは、各ラインセンサに対して静止した状態で入射する。例えば、ラインセンサ１５は、赤色（Ｒ）の波長帯の光を受光し、ラインセンサ１６は、緑色（Ｇ）の波長帯の光を受光し、ラインセンサ１７は、青色（Ｂ）の波長帯の光を受光する。このように、Ｒのラインセンサ１５と、Ｇのラインセンサ１６と、Ｂのラインセンサ１７をそれぞれ別のチャネルとして用いている。ラインセンサ１５〜１７のそれぞれは、受光した光の強度に応じた電荷を蓄積する。

ラインセンサ１５〜１７に蓄積された電荷は、処理部１８から供給される読出駆動信号により順次読み出され、増幅器１９〜２１によりそれぞれ増幅されて処理部１８に出力される。処理部１８は、ＲＧＢの各信号について信号処理を行う。処理部１８は、データを記憶するための記憶部や、演算処理を行うための演算処理回路を備えている。具体的には、処理部１８は、ＲＧＢそれぞれの反射光強度をそのＸＹＺ座標と対応付けてメモリ等に記憶するとともに、プロセッサで所定の演算処理を行う。こうすることで、試料等の表面形状を測定することができる。なお、処理部１８の処理に付いては後述する。

前述のアクチュエータによって対物レンズ１０を光軸方向に移動することで、試料保持ユニット１１における焦点位置を変化させることができる。そして、焦点位置を光軸方向に変化させて、試料表面等からの反射光の強度を求めることで、合焦点位置を検出することができる。例えば、焦点位置が試料の表面と合っている場合は、反射光強度が高くなり、焦点位置が試料表面から外れている場合は、反射光強度が弱くなる。従って、反射光強度のピーク位置を求めることで、高さ方向（Ｚ方向）における試料表面の位置を得ることができる。ＸＹ平面における各位置での合焦点位置を検出していくことで、試料等の形状を測定することができる

なお、対物レンズ１０を光軸方向に移動せずに、ＸＹステージ１２を光軸方向に移動することで、焦点位置を移動してもよい。この場合、ＸＹステージ１２をＸＹＺステージとして、焦点位置を光軸方向に変化させてもよい。

また、ポジショナ１３とハーフミラー５の間には、偏光板（ポラライザ）２２が挿脱可能に設けられている。スリット４とハーフミラー５の間には偏光板（アナライザ）２３が挿脱可能に設けられている。ポジショナ１３とハーフミラー５の間に偏光板２２を挿入し、スリット４とハーフミラー５の間に偏光板２３を挿入することで、偏光観察を行うことができるようになる。さらに、偏光板２２の前に１波長板（λ板、検板）２４を追加して、鋭敏偏光観察を行うこともできる。さらに、後述する反射防止膜の特性に合わせて照明光を狭い波長帯にしたい場合、光ファイババンドル２と集束性レンズ３の間に適当なバンドパスフィルタ２５(例えば、４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、６３３ｎｍを透過するフィルタ)を挿入することもできる。

（保持ユニットの構成）
次に、試料５３を保持する試料保持ユニット１１の構成について、図２を用いて説明する。図２は、試料保持ユニット１１の構成を模式的に示す側面断面図である。試料保持ユニット１１は観察窓５１と、基板５４と、ホルダ５５と、シリンダ５６、５７と、を備えている。図２において、上側が対物レンズ１０側となっており、以下、図１の上側を表面側とし、下側を裏面側として説明する。以下、表面に半球状の凸部が形成された試料５３を例として説明する。

試料５３の表面側には、観察窓５１が配置され、裏面側には基板５４が配置されている。すなわち、観察窓５１が表面側の保持部材となり、基板５４が裏面側の保持部材となっており、試料５３は観察窓５１と基板５４とに挟まれている。試料５３を介して、観察窓５１と基板５４が対向して配置されている。そして、ホルダ５５が観察窓５１と基板５４とを保持している。具体的は、ホルダ５５は、観察窓５１の表面５１ａよりも上側と、基板５４の裏面側よりも下側とに、観察窓５１と基板５４をそれぞれ係止するための凸部を有している。これにより、観察窓５１と基板５４とが試料５３を挟んだ状態で、保持する。観察窓５１の裏面５１ｂと基板５４の表面は、平坦になっているため、試料５３を平坦にした状態とすることができる。よって、シート状の試料５３であっても、しわや歪みのない状態で保持することができる。

観察窓５１は、光源１からの照明光を透過する透光性材料によって形成されている。観察窓５１は、例えば、厚さ０．５ｍｍ〜数ミリ程度の透明基板等から構成される。観察窓５１として、石英ガラスやサファイアなどが用いられる。さらに、観察窓５１は、反射防止膜５２ａ、５２ｂを有している。反射防止膜５２ａは、観察窓５１の表面５１ａに形成され、反射防止膜５２ｂは裏面５１ｂに形成されている。なお、反射防止膜５２ａと反射防止膜５２ｂは、異なる反射特性を有している。なお、反射防止膜５２ａ、５２ｂの反射特性に付いては、後述する。基板５４としては、例えば、金属等の導電性材料を用いることが好ましい。これにより、試料５３に対して電流や電圧を加えることができる。すなわち、試料５３に電流を流した状態での測定や電圧を印加した状態での測定が可能になる。さらに、試料面の観察や偏光状態の観察を行いながら、試料５３から発生する電圧を測定することもできる。

ホルダ５５の表面側には、試料５３に照明光を導くための開口５５ａが設けられている。すなわち、開口５５ａを介して、対物レンズ１０からの照明光が観察窓５１に入射し、試料５３で反射した反射光が開口５５ａを介して、対物レンズ１０に入射する。さらに、観察窓５１の表面５１ａや裏面５１ｂで反射した反射光も、開口５５ａを介して、対物レンズ１０に入射する。

ホルダ５５の裏面側には、シリンダ５６、５７が配置されている。シリンダ５６、５７は油圧シリンダなどを構成しており、シリンダ５７に対してシリンダ５６が矢印方向（Ｚ方向）に直動する。シリンダ５６が上昇して、裏面側から基板５４を押圧する。すなわち、シリンダ５６の上面と基板５４の裏面が当接して、基板５４が押圧されることで、観察窓５１と基板５４とに挟まれた試料５３が加圧される。シリンダ５６の油圧に応じて、観察窓５１と基板５４との間隔が変化して、試料５３に加わる圧力が変化する。シリンダ５６、５７が試料５３の裏面側の基板５４を押圧しているため、観察窓５１の位置をほぼ一定としたまま、試料５３を加圧することができる。

もちろん、試料５３を加圧する加圧機構は油圧シリンダに限られるものでもない。例えばモータ機構等の駆動機構によって、基板５４を押圧しても良い。さらには、基板５４ではなくて、観察窓５１を押圧してもよく、観察窓５１と基板５４の両方を押圧しても良い。シリンダ５６、５７は、基板５４及び観察窓５１の少なくとも一方を介して、試料５３を加圧する。シリンダ５６、５７の圧力計をモニタすることで、試料５３を必要な圧力まで加圧することができる。これにより、所望の圧力下での測定が可能となる。

また、本実施の形態では、光源１として白色光源を用いている。レーザ光源を用いた場合、観察窓５１内における多重干渉が測定の妨げとなるが、白色光源を用いることで多重干渉を防ぐことができる。これにより、コントラストの低下を防ぐことができ、より正確な測定を行うことができる。

（３次元形状測定）
シリンダ５６、５７が基板５４と観察窓５１に挟まれた試料５３を加圧した状態で、光源１からの照明光が試料５３に照射される。ここで、光源１から観察窓５１に入射する入射光Ｉ０と、入射光Ｉ０によって生じる反射光Ｉ１〜Ｉ３について図３、図４を用いて説明する。図３（ａ）は、試料保持ユニット１１における観察窓５１と試料５３とを拡大して示す断面図である。図３（ｂ）は、ラインセンサ１５〜１７で検出された反射光強度のＺ方向プロファイルを示す図であり、縦軸がＺ方向における位置、横軸が反射光強度Ｉを示している。図４は、反射防止膜５２ａ、５２ｂの反射特性を示す図である。

図３（ａ）に示すように、表面側から入射光Ｉ０が入射すると、観察窓５１の表面５１ａと、観察窓５１の裏面５１ｂと、試料５３の表面において、光が反射する。図３（ａ）に示すように、観察窓５１の表面５１ａで反射した反射光をＩ１とし、観察窓５１の裏面５１ｂで反射した反射光をＩ２とし、試料５３の表面で反射した反射光をＩ３とする。反射光Ｉ１〜Ｉ３は、図１で示した通り、対物レンズ１０等を介して、ラインセンサ１５〜１７で検出される。また、反射光Ｉ２、Ｉ３が、観察窓５１を通って、ラインセンサ１５〜１７で検出される。

観察窓５１に設けられた反射防止膜５２ａ、５２ｂの反射特性は、図４のようになっている。図４において、横軸が波長（λ）、縦軸が反射防止膜５２ａ、５２ｂの反射率である。反射防止膜５２ａは、波長がλａよりも長い光の反射を防止し、反射防止膜５２ｂは、波長がλｂ（＞λａ）よりも長い光の反射を防止する。具体的には、反射防止膜５２ａは、４００ｎｍ〜約５００ｎｍの波長の光に対して、高い反射率を有し、約５００ｎｍ以上の波長の光に対して低い反射率を有している。すなわち、反射防止膜５２ａの反射特性のしきい値となる波長λａは、約５００ｎｍとなっている。一方、反射防止膜５２ｂは、４００〜約６００ｎｍの波長の光に対して、高い反射率を有し、約６００ｎｍ以上の波長の光に対して、低い反射率を有している。すなわち、反射防止膜５２ｂの反射特性のしきい値となる波長λｂは、約６００ｎｍとなっている。反射防止膜５２ａの反射特性のしきい値となる波長λａが、反射防止膜５２ｂの反射特定のしきい値となる波長λｂよりも短くなっている。もちろん。波長λａ、λｂは、上記の値に限定されるものではなく、分光プリズム１４の特性等に応じて設定すればよい。

反射防止膜５２ａは、Ｂの波長帯の光を反射して、ＧとＲの波長帯の光を透過する。一方、反射防止膜５２ｂは、ＧとＢの波長帯の光を反射して、Ｒの波長帯の光を透過する。従って、入射光Ｉ０のうち、Ｂの光だけが反射防止膜５２ａで反射して、ラインセンサ１７で検出される。一方、入射光Ｉ０のうち、ＧとＲの光は、反射防止膜５２ａを透過して、反射防止膜５２ｂに入射する。反射防止膜５２ｂに入射したＧとＲの光のうち、Ｇの光は反射防止膜５２ｂで反射する。反射防止膜５２ｂで反射したＧの光は、反射防止膜５２ａを透過して、ラインセンサ１６で検出される。一方、反射防止膜５２ｂを透過したＲの光は、試料５３の表面で反射される。試料５３で反射したＲの光は、反射防止膜５２ａ、５２ｂを通過して、ラインセンサ１５で検出される。
従って、観察窓５１の表面５１ａにおける反射光は、Ｂの波長帯の光を含んでおり、ＧとＲの波長帯の光を含んでいない。一方、観察窓５１の裏面５１ｂにおける反射光は、Ｇの波長帯の光を含んでおり、ＢとＲの波長帯の光を含んでいない。さらに、試料５３の表面における反射光は、Ｒの波長帯の光を含んでおり、ＧとＢの波長帯の光を含んでいない。換言すると、Ｒのラインセンサ１５は、試料５３の表面での反射光を検出し、Ｇのラインセンサ１６は、観察窓５１の裏面５１ｂでの反射光を検出し、Ｂのラインセンサ１７は観察窓５１の表面５１ａでの反射光を検出する。

Ｚ方向の走査範囲を観察窓５１の表面５１ａよりも手前側まで広げると、ラインセンサ１５〜１７で測定した理想的なＺ方向プロファイルは、図３（ｂ）に示すようになる。Ｒのラインセンサ１５で測定したＺ方向プロファイルには、理想的には、１つのピークが現れる。このピークは、試料５３の表面の高さ（Ｚ位置）に対応する。Ｇのラインセンサ１６で測定したＺ方向プロファイルには、理想的には、１つのピークが現れる。このピークが観察窓５１の裏面５１ｂの高さに対応する。Ｂのラインセンサ１７で測定したＺ方向プロファイルには、理想的には、１つのピークが現れる。このピークが観察窓５１の表面５１ａの高さに対応する。換言すると、それぞれのピーク位置は、観察窓５１の表面５１ａ、観察窓５１の裏面５１ｂ、及び試料５３の表面のいずれかが焦点が合った時の高さに対応している。
なお、上記の説明では、反射防止膜５２ａ、５２ｂの特性が理想的、すなわち、反射防止膜５２ａ、５２ｂが所定波長の光を完全に透過するものとして説明したが、反射防止膜５２ａ、５２ｂは理想的な特性を示すものに限られるものではない。例えば、反射防止膜５２ａ、５２ｂの特性が理想的でなく、ラインセンサ１５〜１７の感度以下まで反射光を低減できない場合、ＲＧＢ全てのラインセンサ１５〜１７に観察窓５１の表面５１ａと、裏面５１ｂと試料５３との３つの信号が入る。しかしながら、図３（ｂ）に示したピークと比較して、ピーク強度が小さいので、容易に分離できる。

ここで、Ｒのラインセンサ１５で検出したピーク位置によって、試料５３の表面形状を測定する。観察窓５１の裏面５１ｂや表面５１ａで反射した反射光には、Ｒの光が含まれていないため、観察窓５１の裏面５１ｂや表面５１ａで反射した不要な反射光が、Ｒのラインセンサ１５で検出されるのを防止することができる。また、Ｇのラインセンサ１６によって、観察窓５１の裏面５１ｂの形状を測定する。試料５３の表面や観察窓５１の表面５１ａで反射した反射光には、Ｇに光が含まれていないため、試料５３の表面や観察窓５１の表面５１ａで反射した不要な反射光が、Ｇのラインセンサ１６で検出されるのを防止することができる。Ｂのラインセンサ１７によって、観察窓５１の表面５１ａの形状を測定する。試料５３の表面や観察窓５１の裏面５１ｂで反射した反射光には、Ｂに光が含まれていないため、試料５３の表面や観察窓５１の裏面５１ｂで反射した不要な反射光が、Ｂのラインセンサ１７で検出されるのを防止することができる。反射防止膜５２ａ、５２ｂを設けることで、Ｓ／Ｎ比を向上することができ、より正確に測定することができる。

観察窓５１の表面５１ａ、裏面５１ｂ、及び試料表面の全ての焦点位置を含むように、Ｚ方向に走査範囲を設定する。すると、理想的には、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれに１つのピークが現れる。Ｒのラインセンサ１５の検出結果からは、試料５３の表面の位置に対応するピークのみが抽出される。Ｒのラインセンサ１５での検出結果におけるピーク位置から、試料５３の表面の高さ（Ｚ位置）を求めることができる。理想的には、Ｇのラインセンサ１６の検出結果からは、観察窓５１の裏面５１ｂに対応するピークのみが抽出される。このため、Ｇのラインセンサ１６での検出結果から、観察窓５１の裏面５１ｂの高さを算出することができる。さらに、Ｂのラインセンサ１７の検出結果からは、観察窓５１の表面５１ａに対応するピークのみが抽出される。Ｂのラインセンサ１７での検出結果から、観察窓５１の表面５１ａの高さを算出することができる。

このように、Ｚ方向の走査範囲を観察窓５１の表面５１ａよりも手前側まで広げることで、Ｚ方向における観察窓５１の表面５１ａの位置を測定することができる。ＸＹ平面における所定領域において、ラインセンサ１５〜１７での反射光強度のＺ方向プロファイルから、ピーク位置を検出する。Ｘ方向に沿ったライン状の光で試料５３を照明し、かつ、振動ミラー７がライン状の光をＹ方向に走査しているため、ＸＹ平面における所定領域の任意の箇所で、合焦点位置を検出することができる。これにより、観察窓５１の表面５１ａと、観察窓５１の裏面５１ｂと、試料５３の表面との３次元形状を測定することができる。なお、上記の説明では、試料５３がＲＧＢ全ての光を反射するものとして説明したが、試料５３については、特に限定されるものではない。また、試料５３の反射特性に応じて、異なる反射特性を有する観察窓５１を切り替えて使用すればよい。すなわち、試料５３において反射率の高い波長の光に対して反射率が低い反射防止膜５２ａ、５２ｂを用いればよい。

（観察窓の変形量の測定）
観察窓５１の表面５１ａの３次元形状を測定することで、加圧による観察窓５１の変形量を求めることができる。例えば、シリンダ５６、５７によって加圧する前と加圧した後で、観察窓５１の表面５１ａの形状を測定する。これにより、観察窓５１の変形量を求めることができ、加圧による反りや撓みを測定することができる。そして、観察窓５１の変形量に基づいて、シリンダ５６、５７から試料５３に加わる圧力の分布を求めることも可能になる。換言すると、ＸＹ平面内における圧力分布を算出することができる。

例えば、図５（ａ）に示す試料５３において、図６に示すような、観察窓５１の表面５１ａの高さ像が取得されたとする。なお、高さ像とは、Ｚ方向の位置を階調として示す像である。例えば、あるＺ位置を基準階調として、観察窓５１の表面５１ａが高いほど（対物レンズ１０に近いほど）、白に近い階調になるように表示する。

観察窓５１の表面形状プロファイルは図５（ｂ）のようになっている。なお、図５（ｂ）において、横軸はＸ方向の位置であり、縦軸は観察窓５１の表面５１ａのＺ方向（高さ方向）の位置である。図５（ｂ）において、実線は加圧後のＺ方向プロファイルを示し、点線は加圧前のＺ方向プロファイルを示している。

図５（ｂ）に示すように、加圧前後で、観察窓５１の表面形状プロファイルが変化する。より具体的には、シリンダ５６、５７によって下側から観察窓５１を加圧しているため、圧力が増すほど観察窓５１の表面５１ａの高さが高くなる。ここで、加圧前後でのＺ方向の変位ΔＺを求め、加圧前後でのＺ方向の変位ΔＺが圧力Ｐに比例すると仮定すると、局所的な圧力Ｐ（ｘ,ｙ）を求めることができる。加圧前と加圧後での表面５１ａの形状の違いから、ＸＹ平面における圧力分布を測定することができる。さらに、時間とともに圧力Ｐが変化する様子を測定することもできる。

試料５３に加わる圧力を試料５３の形状と、略同時に測定することができる。このため、圧力が静定するまで待つ必要がなく、シリンダ５６、５７の圧力変動中の測定も可能である。例えば、シリンダ５６、５７の油圧が変動している場合でも、試料５３の表面形状を測定した時点での、シリンダ５６、５７による変形量を測定することができる。このような同時測定が可能となるため、試料５３の評価を適切かつ詳細に行うことができる。もちろん、シリンダ５６、５７による圧力を段階的に変化させて、変形量を測定しても良い。さらには、圧力に応じて試料５３の表面や試料５３の内部形状が変化する様子を測定することもできる。また、観察窓５１の変形が許容されるため、観察窓５１の厚さを厚くする必要や、強度を高くする必要がない。よって、安価なガラス基板等を用いることができる。

（観察窓と試料との接触位置の検出）
さらに、観察窓５１の裏面５１ｂからの反射光を検出することで、観察窓５１の裏面５１ｂと試料５３の接触位置を求めることできる。ここで、試料５３と観察窓５１が接触している接触位置を求める方法について、図７〜図９を用いて説明する。図７（ａ）は試料５３の断面形状を示す図であり、図７（ｂ）は観察窓５１の裏面５１ｂの全焦点反射像である。なお、全焦点反射像とは、図５（ｂ）や図９で示したような反射光強度のＺ方向プロファイルにおけるピーク位置での反射光強度を階調として示す画像であり、反射光強度が高い箇所ほど、白に近い階調になるように表示している。図８は、観察窓５１の裏面５１ｂの高さ像を示す図である。図９は、接触位置における反射光強度のＺ方向プロファイルを示す図である。

図７（ａ）に示す試料５３においては、図５と同様に、観察窓５１の表面５１ａの高さ像は、図６に示すようになる。ここで、Ｇのラインセンサ１６での検出結果から、観察窓５１の裏面５１ｂに対応するピーク位置を求める。このピーク位置における反射光強度のデータを抽出する。そして、観察窓５１の裏面５１ｂに対応するピーク位置における反射光強度のデータから、全焦点反射像を求めると図７（ｂ）に示すようになる。試料５３と観察窓５１が接触していない箇所では、図５（ｂ）に示すように急峻なピークが現れるが、試料５３と観察窓５１が接触している箇所では、図９に示すように、観察窓５１の裏面５１ｂに対応するピークが低くなり、ブロードになってしまう。

例えば、観察窓５１の裏面５１ｂと試料５３の表面とで屈折率が近い場合、接触位置６０では、反射光強度が極端に低くなる。観察窓５１の裏面５１ｂや試料５３の表面に対応するピークのピーク高さが極端に低くなってしまう。この場合、ピークが抽出できなくなってしまったり、ピークの検出精度が低下してしまう。

従って、試料５３と観察窓５１が接触する接触位置６０では、ピークにおける反射光強度が異常な値となる。具体的には、接触位置６０では、反射光強度がその周辺に比べて低くなる。このような箇所では、試料５３と観察窓５１が接触していると判断する。例えば、Ｚ方向プロファイルに現れるピークの高さに応じて、接触位置６０を検出することができる。具体的には、処理部１８は、Ｇのラインセンサ１６のＺ方向プロファイルにピークが現れない箇所、及び観察窓５１の裏面に対応するピークの高さがしきい値よりも低い箇所を、接触位置６０であると判定する。このように、反射光強度のＺ方向プロファイルによってピークを検出し、そのピークの検出結果に応じて接触位置６０を特定する。これにより、全焦点反射像の特異点が接触位置６０と特定される。

試料５３の表面形状を測定する際、接触位置６０では、その周辺におけるデータを用いて処理部１８が補間処理を行う。これにより、図８に示すような高さ像を得ることができる。接触位置６０では、Ｘ方向、又はＹ方向に隣接する箇所での高さで、接触位置６０での高さを補間する。接触位置６０周辺の試料５３の表面形状から補間することで、接触位置６０における試料５３の表面形状を求める。こうすることで、より正確に試料５３の形状を測定することができ、適切かつ詳細に試料５３を評価することができる。特に、上記の通り、接触位置６０では、試料５３の表面で反射される反射光の強度が低くなるため、ピーク位置の検出精度が低下してしまう。しかしながら、本実施形態に示すように、接触位置６０での試料表面形状を補間により求めることで、より正確に表面形状を測定することができる。よって、より適切かつ詳細に試料５３を評価することができる。

なお、観察窓５１の厚さを十分厚くすれば、観察窓５１の表面５１ａと、観察窓５１の裏面５１ｂとの距離が遠くなる。従って、観察窓５１の表面５１ａに対応するピークと裏面５１ｂに対応するピークとの分離を容易に行うことができる。例えば、Ｂのラインセンサ１７の検出結果からＺ方向プロファイルのピーク位置を求め、最も対物レンズ１０側のピーク位置を観察窓５１の表面５１ａの高さとする。そして、観察窓５１の表面５１ａとその周辺を除いて、Ｇのラインセンサ１６でのＺ方向プロファイルからピークを検出する。そして、Ｇのラインセンサ１６でのＺ方向プロファイルに基づくピークの検出結果に基づいて接触位置６０を検出する。接触位置６０以外ではＲのラインセンサ１５でのピーク位置を試料５３の表面高さとする。接触位置６０ではその周辺の表面高さから補間を行う。これにより、試料５３の表面高さ、すなわち、表面形状を正確に測定することができる。このようにして求めた試料５３の高さ像は図８のようになる。

試料５３と観察窓５１の接触面積を求めても良い。そして、シリンダ５６、５７によって圧力を変えることで、接触面積の変化を評価するようにしても良い。さらに、試料５３と観察窓５１との隙間（試料５３表面と観察窓５１裏面で囲まれた空間）の体積を求めてもよい。そして、シリンダ５６、５７によって圧力を変えることで、試料５３表面と観察窓５１裏面で囲まれた空間の変化を評価するようにしても良い。例えば、隙間の体積は、接触位置以外の試料５３の表面と観察窓５１の裏面５１ｂとの距離に基づいて算出することができる。このように、試料５３と観察窓５１の接触面積及び試料５３と観察窓５１との隙間の体積の少なくとも一方を求めることができる。

（測定手順）
以下、測定手順に付いて説明する。
（１）試料面への加圧・平坦化
試料を試料保持ユニット１１に設置して、シリンダ５６、５７の油圧に必要とされる圧力まで加圧する。なお、試料を平坦化するだけで、必要以上に加圧しない場合は、試料表面を共焦点光学系３０によって観察しながら、試料面の変形を確認しながら加圧する。
（２）共焦点光学系による試料計測
観察窓５１の表面５１ａ、裏面５１ｂ、試料５３の表面窓の高さ範囲を全てＺスキャンする。これにより、ＸＹＺの３次元空間における反射光強度のデータが３チャネル分得られる。
（３）データ解析
測定データを合成して、観察窓５１の表面形状、試料５３の表面形状、あるいは、観察窓５１の裏面形状を算出する。すなわち、反射光強度のＺ方向プロファイルからピーク位置を抽出して、観察窓５１の表面形状、試料５３の表面形状、あるいは、観察窓５１の裏面形状を求める。このとき、接触位置を求めて、接触位置における試料の表面高さを補間することができる。

（実施例）
次に、実際の試料５３に観察窓５１を押し付けた状態で測定した測定画像を図１０、図１１に示す。図１０、図１１は試料５３としては樹脂を用い、観察窓５１として、ガラス基板を用いた測定画像を示している。図１０はＺスキャンによって測定した観察窓５１の裏面５１ｂの全焦点反射像である。図１１は、図１１０の全焦点反射像を２値化した２値化した画像である。ガラス基板の裏面は、樹脂の表面と近接しているため、樹脂の表面も見えている。さらに、図１０から分かるように、樹脂とガラス基板が接触している接触位置では、反射光強度が弱くなるため、黒に近い階調となっている。そして、予め設定されたしきい値と、全焦点反射像のデータを比較すると、例えば、反射光強度が弱い箇所は第１の値となり、反射光強度が高い箇所は第１の値と異なる第２の値となる。これにより、裏面５１ｂの全焦点反射像から接触位置６０を特定することができる。そして、特定した接触位置を合計することで、接触面積を求めることができる。

（その他の実施の形態）
試料５３の周りを溶液等の液体やゲル等で満たした状態としても良い。この場合、観察窓５１と基板５４とホルダ５５によって形成される試料５３の周辺空間に、液体やゲルなどを充填する。これにより、液体中やゲル中での測定も可能となる。また、ホルダ５５に、ペルチェ素子やヒータ等を取り付けることで、冷却、又は加熱してもよい。これにより、試料５３を所定の温度にした状態での測定も可能となる。これにより、所望の環境下での形状測定が可能となる。

なお、上記の説明では、検出部としてＲＧＢの３ＣＣＤラインセンサを用いたが、１チャネルのみのセンサで反射光を検出してもよい。この場合、１チャネルのＺ方向プロファイルには、観察窓５１の表面５１ａと、裏面５１と、試料５３の表面に対応する３つのピークが現れる。Ｚ方向におけるピークの順番によって、どの面に対応するものか特定することができる。

上記の形状測定装置は、フェルト等の繊維質の試料の形状測定に好適である。さらに、圧力をかけた状態で使用される試料の観察に好適である。加圧した状態で使用される試料では、加圧状態での表面形状が重要になる。従って、加圧状態で試料５３の表面形状を測定するのと、ほぼ同時に圧力分布等を測定することで、適切かつ詳細に評価することができる。また、非接触式での測定であるため、圧媒を介しての測定が可能となる。

１ 光源
２ 光ファイババンドル
３ 集束性レンズ
４ スリット
５ ハーフミラー
６ レンズ
７ 振動ミラー
８ リレーレンズ
９ リレーレンズ
１０ 対物レンズ
１１ 保持ユニット
１２ ＸＹステージ
１３ ポジショナ
１４ 分光プリズム
１５ ラインセンサ
１６ ラインセンサ
１７ ラインセンサ
１８ 処理部
１９ アンプ
２０ アンプ
２１ アンプ
２２ 偏光板（アナライザ）
２３ 偏光板（ポラライザ
２４ １波長板（λ板、検板）
２５ バンドパスフィルタ
３０ 共焦点光学系
５１ 観察窓
５２ａ 反射防止膜
５２ｂ 反射防止膜
５３ 試料
５４ 基板
５５ ホルダ
５６ シリンダ
５７ シリンダ
６０ 接触位置

Claims (12)

1. 試料の表面側に配置された観察窓と、試料の裏面側に配置された裏面側保持部材とを有する試料保持ユニットと、
   前記観察窓及び前記裏面側保持部材の少なくとも一方を介して、前記試料を加圧する加圧機構と、
   前記試料の形状を測定するため前記試料を照明するとともに、照明光の焦点位置を光軸方向に走査可能な共焦点光学系と、
   前記共焦点光学系を介して、前記試料保持ユニットに保持された試料からの反射光を検出する検出部と、
   前記焦点位置を光軸方向に走査した時の前記検出部での検出結果によって、形状を測定する処理部と、を備え、
   前記観察窓の表面に前記焦点位置を合わせて、前記観察窓の表面形状を測定する形状測定装置。
2. 前記加圧機構による圧力を変化させた前後で、前記観察窓の表面形状を測定する請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記観察窓の裏面に前記焦点位置を合わせた時の反射光の検出結果に基づいて、前記観察窓と前記試料とが接触している接触位置を検出する請求項１、又は２に記載の形状測定装置。
4. 前記光軸方向における反射光強度のプロファイルからピークを検出し、前記ピークの検出結果に基づいて、前記接触位置を特定する請求項３に記載の形状測定装置。
5. 前記接触位置の検出結果から、前記試料と前記観察窓が接触している接触面積、及び前記観察窓と前記試料との隙間の体積の少なくとも一方を求めることを特徴とする請求項３、又は４に記載の形状測定装置。
6. 前記観察窓の裏面側に、所定波長の光の反射を防止する反射防止膜が形成され、
   前記検出部が前記所定波長の光を検出する第１のチャネルと、前記所定波長を除く光を検出する第２のチャネルとを、備えており、
   前記第２のチャネルでの測定結果に基づいて、前記接触位置を検出し、
   前記接触位置以外での前記第１のチャネルの測定結果によって、前記接触位置における前記試料表面の測定位置を補間する請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の形状測定装置。
7. 試料の表面側に配置された観察窓と、前記試料の裏面側に配置された裏面側保持部材とで前記試料を保持するステップと、
   前記観察窓及び前記裏面側保持部材の少なくとも一方を介して、前記試料を加圧するステップと、
   前記試料を加圧した状態で、共焦点光学系を用いて、前記観察窓側から前記試料に照明光を照射するとともに、前記試料からの反射光を検出するステップと、
   前記照明光の焦点位置を光軸方向に走査した時の前記反射光の検出結果から、前記試料の形状を測定するステップと、
   前記観察窓の表面に前記焦点位置を合わせて、前記観察窓の表面形状を測定するステップと、を備える形状測定方法。
8. 前記加圧機構による圧力を変化させた前後で、前記観察窓の表面形状を測定する請求項７に記載の形状測定方法。
9. 前記圧力を変化させた前後の前記観察窓の変形量に基づいて、前記試料に対する圧力分布を測定する請求項８に記載の形状測定方法。
10. 前記観察窓の裏面に前記焦点位置を合わせて、前記観察窓と前記試料とが接触している接触位置を検出する請求項７〜９のいずれか１項に記載の形状測定方法。
11. 前記光軸方向における反射光強度のプロファイルからピークを検出し、前記ピークの検出結果に基づいて、前記接触位置を特定する請求項１０に記載の形状測定方法。
12. 前記観察窓の裏面側に、所定波長の光の反射を防止する反射防止膜が形成され、
    前記反射光を検出する検出部が前記所定波長の光を検出する第１のチャネルと、前記所定波長を除く光を検出する第２のチャネルとを、備えており、
    前記第２のチャネルでの測定結果に基づいて、前記接触位置を検出し、
    前記接触位置以外での前記第１のチャネルの測定結果によって、前記接触位置における前記試料表面の測定位置を補間する請求項１０、又は１１に記載の形状測定方法。