JP2014001966A - 形状測定装置および形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の表面の形状を精密にかつ効率よく短時間で測定することが可能な形状測定装置および形状測定方法を提供する。
【解決手段】
測定対象物Ｓの表面の複数の部分について光の照射方向の共焦点高さデータ取得範囲内において共焦点方式の受光強度分布が取得される。共焦点方式の受光強度分布に基づいて複数の部分について共焦点高さデータがそれぞれ算出される。共焦点高さデータに基づいて、共焦点高さデータ取得範囲内の一部で干渉高さデータ取得範囲が決定される。干渉高さデータ取得範囲内において、複数の部分の少なくとも一部について光の照射方向の干渉方式の受光強度分布が取得される。干渉方式の受光強度分布に基づいて複数の部分の少なくとも一部について干渉高さデータがそれぞれ算出される。複数の部分について共焦点高さデータまたは干渉高さデータを用いて測定対象物Ｓの表面の形状を示す形状データが生成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置および形状測定方法に関する。

共焦点顕微鏡では、光が対物レンズにより測定対象物に集光される。測定対象物からの反射光が受光レンズにより集光され、ピンホールを通して受光素子に入射する（例えば、特許文献１参照）。光は測定対象物の表面で二次元的に走査される。また、測定対象物と対物レンズとの間の相対的な距離を変化させることにより受光素子により得られる受光量分布が変化する。測定対象物の表面に焦点が合ったときに受光量部分においてピークが現れる。受光量分布のピーク位置に基づいて測定対象物の表面の高さ形状を測定することができる。

特許文献２の微細構造の測定装置においては、測定対象物に照射される光の一部を透過させ残りの光を反射する薄膜が、共焦点顕微鏡の対物レンズと測定対象物との間に配置される。また、薄膜により反射される光を薄膜に向けて反射するミラーが、薄膜に関して対物レンズの焦点とほぼ対称の位置に配置される。

上記のように、測定対象物が対物レンズの焦点位置にあるときには受光量分布のピーク（最大ピーク）が検出される。これに加えて、測定対象物が対物レンズの焦点位置から１／４×（２ｎ＋１）波長（ｎは整数）ずれた位置にあると、受光量は極小となる。測定対象物が対物レンズの焦点位置から１／４×２ｎ波長ずれた位置にあると、最大ピークより小さい受光量のピークが検出される。これらのピークと最大ピークとを比較することにより測定対象物の表面の高さ形状の測定における分解能を向上させることができる。

特開２００８−８３６０１号公報 特開平７−１９８２７号公報

しかしながら、特許文献２の微細構造の測定装置では、測定対象物と対物レンズとの距離を変化させつつ受光量のピークを広範囲にわたって検出する必要がある。測定対象物と対物レンズとの間の相対的な距離の変化は、共焦点顕微鏡における測定対象物と対物レンズとの間の相対的な距離の変化よりも微小であるため、測定対象物の表面の高さ形状の測定には長時間を要する。そのため、測定対象物の表面の高さ形状を高速に測定することができない。

本発明の目的は、測定対象物の表面の形状を精密にかつ効率よく短時間で測定することが可能な形状測定装置および形状測定方法を提供することである。

（１）第１の発明に係る形状測定装置は、測定対象物の表面の形状を測定する形状測定装置であって、測定対象物の表面の複数の部分に光を照射し、複数の部分で反射される光を受光することにより、複数の部分について光の照射方向における共焦点方式の受光強度分布および干渉方式の受光強度分布を取得するように構成される受光強度分布取得部と、受光強度分布取得部により取得された共焦点方式の受光強度分布に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第１のデータをそれぞれ算出可能でかつ受光強度分布取得部により取得された干渉方式の受光強度分布に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第２のデータをそれぞれ算出可能に構成される算出部と、受光強度分布取得部および算出部を制御するとともに、複数の部分について第１または第２のデータを用いて測定対象物の表面の形状を示す形状データを生成する処理部とを備え、処理部は、複数の部分について光の照射方向の第１の範囲内において共焦点方式の受光強度分布が取得されるとともに取得された共焦点方式の受光強度分布に基づいて複数の部分についての第１のデータが算出されるように受光強度分布取得部および算出部を制御した後、算出部により算出された第１のデータに基づいて、干渉方式の受光強度分布を取得すべき範囲として第１の範囲内の一部で第２のデータを算出可能な第２の範囲を決定し、決定された第２の範囲内において干渉方式の受光強度分布が取得されるとともに取得された干渉方式の受光強度分布に基づいて複数の部分の少なくとも一部についての第２のデータが算出されるように受光強度分布取得部および算出部を制御するように構成されるものである。

この形状測定装置においては、測定対象物の表面の複数の部分について光の照射方向の第１の範囲内において共焦点方式の受光強度分布が取得される。取得された共焦点方式の受光強度分布に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第１のデータがそれぞれ算出される。算出された第１のデータに基づいて、干渉方式の受光強度分布を取得すべき範囲として第１の範囲内の一部で第２のデータを算出可能な第２の範囲が決定される。

決定された第２の範囲内において、複数の部分の少なくとも一部について光の照射方向の干渉方式の受光強度分布が取得される。取得された干渉方式の受光強度分布に基づいて複数の部分の少なくとも一部について光の照射方向における位置を示す第２のデータがそれぞれ算出される。複数の部分について第１または第２のデータを用いて測定対象物の表面の形状を示す形状データが生成される。

この構成によれば、干渉方式の受光強度分布を取得すべき第２の範囲は、第１の範囲内の一部で決定される。そのため、第１の範囲の全体にわたって、干渉方式の受光強度分布を取得する必要がない。また、複数の部分の各々について第１および第２のデータのうち高い精度を有するデータを選択的に用いることにより形状データを生成することができる。これにより、測定対象物の表面の形状を精密にかつ効率よく短時間で測定することができる。

（２）処理部は、算出部により算出された第１のデータの値の度数に基づいて、第２の範囲を決定してもよい。この場合、第２の範囲を容易に決定することができる。

（３）処理部は、算出部により算出された第１のデータの値の度数分布におけるピークを検出し、検出されたピークの位置を含む所定範囲を第２の範囲として決定してもよい。この場合、第２のデータを確実に算出可能な第２の範囲を決定することができる。

（４）処理部は、算出部により算出された第１のデータの値の度数分布において予め設定された第１のしきい値以上の度数を有するピークを検出し、検出されたピークの位置を含む所定範囲を第２の範囲として決定してもよい。

共焦点方式の受光強度分布にノイズが存在する場合、干渉方式の受光強度分布を取得する必要がない範囲に第１のデータの値の微小な度数が発生することがある。このような場合でも、第１のしきい値以上の度数を有するピークの位置を含む所定範囲が第２の範囲として決定されることにより、不要な範囲において干渉方式の受光強度分布が取得されることが防止される。その結果、第２のデータの算出に要する時間の短縮が可能となる。

（５）処理部は、複数の部分の各々について算出部により算出されるべき第２のデータが予め設定された精度を有するか否かを推定し、予め設定された精度を有すると推定される部分については、決定された第２の範囲内において干渉方式の受光強度分布が取得されるとともに取得された干渉方式の受光強度分布に基づいて第２のデータが算出され、予め設定された精度を有しないと推定される部分については、決定された第２の範囲内において干渉方式の受光強度分布が取得されずに第２のデータが算出されないように、受光強度分布取得部および算出部を制御してもよい。

この場合、第２のデータが予め設定された精度を有しないと推定される部分については、決定された第２の範囲内において干渉方式の受光強度分布が取得されずに第２のデータが算出されない。これにより、測定対象物の表面の形状をより短時間で測定することができる。また、測定対象物の表面の形状の測定の精度が低下することを防止することができる。

（６）処理部は、複数の部分について算出部により算出される第１のデータに基づいて、複数の部分の各々についての傾斜角度を算出し、算出された傾斜角度が予め設定された第２のしきい値以下であるか否かを判定し、算出された傾斜角度が予め設定された第２のしきい値よりも高い場合に算出部により算出されるべき第２のデータが予め設定された精度を有しないと推定してもよい。

測定対象物の表面に傾斜角度が大きい領域が存在する場合には、干渉方式の受光強度分布に基づいて算出される第２のデータの精度は低くなり、または第２のデータの算出が困難となる。そこで、測定対象物の複数の部分の各々について、傾斜角度が算出され、算出された傾斜角度が予め設定された第２のしきい値よりも大きい場合には、第２のデータが予め設定された精度を有しないと推定される。それにより、測定対象物が大きい傾斜角度の領域を含む場合に、その領域について測定される位置の精度が低下することが防止される。

（７）処理部は、複数の部分の各々について、受光強度分布取得部により予め定められた条件で取得された受光強度が予め設定された第３のしきい値以上であるか否かを判定し、取得された受光強度が第３のしきい値よりも低い場合に算出部により算出されるべき第２のデータが予め設定された精度を有しないと推定してもよい。

測定対象物の表面に低い反射率の領域が存在する場合には、干渉方式の受光強度分布に基づいて算出される第２のデータの精度は低くなり、または第２のデータの算出が困難となる。そこで、測定対象物の複数の部分の各々について、受光強度分布取得部により予め定められた条件で取得される受光強度が予め設定された第３のしきい値よりも低い場合には、第２のデータが予め設定された精度を有しないと推定される。それにより、測定対象物が低い反射率の領域を含む場合に、その領域について測定される位置の精度が低下することが防止される。

（８）処理部は、複数の部分の各々について、算出部により算出されるべき第２のデータが予め設定された精度を有すると推定された場合には第２のデータを選択し、算出部により算出されるべき第２のデータが予め設定された精度を有しないと推定された場合には第１のデータを選択し、選択された第１および第２のデータを用いて形状データを生成してもよい。

この場合、複数の部分の各々について第１および第２のデータのうち高い精度を有するデータが用いられる。これにより、形状データは、測定対象物の表面の複数の部分の位置を正確に示す。その結果、測定対象物の表面の形状を高い精度で測定することができる。

（９）第２の発明に係る形状測定方法は、測定対象物の表面の形状を測定する形状測定方法であって、測定対象物の表面の複数の部分に光を照射し、複数の部分で反射される光を受光することにより、複数の部分について光の照射方向の第１の範囲内において共焦点方式の受光強度分布を取得するステップと、取得された共焦点方式の受光強度分布に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第１のデータをそれぞれ算出するステップと、算出された第１のデータに基づいて、干渉方式の受光強度分布を取得すべき範囲として第１の範囲内の一部で光の照射方向における位置を示す第２のデータを算出可能な第２の範囲を決定するステップと、測定対象物の表面の複数の部分に光を照射し、複数の部分で反射される光を受光することにより、複数の部分の少なくとも一部について光の照射方向の決定された第２の範囲内において干渉方式の受光強度分布を取得するステップと、取得された干渉方式の受光強度分布に基づいて複数の部分の少なくとも一部について第２のデータをそれぞれ算出するステップと、複数の部分について第１または第２のデータを用いて測定対象物の表面の形状を示す形状データを生成するステップとを備えるものである。

この形状測定方法においては、測定対象物の表面の複数の部分について光の照射方向の第１の範囲内において共焦点方式の受光強度分布が取得される。取得された共焦点方式の受光強度分布に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第１のデータがそれぞれ算出される。算出された第１のデータに基づいて、干渉方式の受光強度分布を取得すべき範囲として第１の範囲内の一部で第２のデータを算出可能な第２の範囲が決定される。

決定された第２の範囲内において、複数の部分の少なくとも一部について光の照射方向の干渉方式の受光強度分布が取得される。取得された干渉方式の受光強度分布に基づいて複数の部分の少なくとも一部について光の照射方向における位置を示す第２のデータがそれぞれ算出される。複数の部分について第１または第２のデータを用いて測定対象物の表面の形状を示す形状データが生成される。

この構成によれば、干渉方式の受光強度分布を取得すべき第２の範囲は、第１の範囲内の一部で決定される。そのため、第１の範囲の全体にわたって、干渉方式の受光強度分布を取得する必要がない。また、複数の部分について第１および第２のデータのうち高い精度を有するデータを選択的に用いることにより形状データを生成することができる。これにより、測定対象物の表面の形状を精密にかつ効率よく短時間で測定することができる。

本発明によれば、測定対象物の表面の形状を精密にかつ効率よく短時間で測定することが可能になる。

第１の実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。 Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の定義を示す図である。 対物レンズとして非干渉型対物レンズを用いた場合の１つの画素についての受光強度分布の一例を示す図である。 干渉型対物レンズの構成を示す図である。 対物レンズの他の構成を示す図である。 対物レンズとして干渉型対物レンズを用いた場合の１つの画素についての受光強度分布の一例を示す図である。 測定対象物の表面の反射率に基づく測定方式の推定方法を説明するための図である。 測定対象物の干渉高さデータ取得範囲を説明するための図である。 画素の対応付け処理を示すフローチャートである。 画素の対応付け処理において用いられるチャートの一例を示す平面図である。 高さ形状測定処理を示すフローチャートである。 高さ形状測定処理を示すフローチャートである。 高さ形状測定処理を示すフローチャートである。 高さ形状測定処理を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。 ＣＣＤカメラにより得られる１つの画素についての単色光の受光強度分布を示す図である。 第３の実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。 測定対象物のＺ方向の位置とＣＣＤカメラに入射する赤色光、緑色光および青色光の強度との関係を示す図である。 ＣＣＤカメラにより得られる１つの画素についての白色光の受光強度の分布を示す図である。

［１］第１の実施の形態
以下、第１の実施の形態に係る形状測定装置について図面を参照しながら説明する。

（１）形状測定装置の基本構成
図１は、第１の実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、形状測定装置５００は、測定部１００、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）２００、制御部３００および表示部４００を備える。測定部１００は、レーザ光源１０、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０、受光素子３０およびステージ６０を含む。ステージ６０上には、測定対象物Ｓが載置される。

レーザ光源１０は、例えば半導体レーザである。レーザ光源１０から出射されたレーザ光は、レンズ１により平行光に変換された後、ハーフミラー４を透過してＸ−Ｙスキャン光学系２０に入射する。なお、レーザ光源１０に代えて水銀ランプ等の他の光源と帯域通過フィルタとが用いられてもよい。この場合、水銀ランプ等の光源とＸ−Ｙスキャン光学系２０との間に帯域通過フィルタが配置される。水銀ランプ等の光源から出射された光は、帯域通過フィルタを通過することにより単色光となり、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０に入射する。

Ｘ−Ｙスキャン光学系２０は、例えばガルバノミラーである。Ｘ−Ｙスキャン光学系２０は、ステージ６０上の測定対象物Ｓの表面上においてレーザ光をＸ方向およびＹ方向に走査する機能を有する。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の定義については後述する。Ｘ−Ｙスキャン光学系２０により走査されたレーザ光は、ミラー５Ａにより反射された後、対物レンズ３によりステージ６０上の測定対象物Ｓに集光される。

測定部１００には、対物レンズ３として非干渉型対物レンズ３Ａおよび干渉型対物レンズ３Ｂを取り付けることができる。測定対象物Ｓの表面に照射されるレーザ光および測定対象物Ｓにより反射されたレーザ光の光学経路に非干渉型対物レンズ３Ａおよび干渉型対物レンズ３Ｂが選択的に配置される。

本例においては、干渉型対物レンズ３Ｂは、例えばマイケルソン干渉方式、ミラウ干渉方式またはリニック干渉方式の干渉型対物レンズである。干渉型対物レンズ３Ｂに代えて、干渉型対物レンズが実現されるように組み合わされた非干渉型対物レンズ３Ａと例えばマイケルソン干渉方式、ミラウ干渉方式またはリニック干渉方式の光学系とが用いられてもよい。また、ハーフミラー４に代えて偏光ビームスプリッタが用いられてもよい。

測定対象物Ｓにより反射されたレーザ光は、対物レンズ３を透過した後、ミラー５Ａにより反射され、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０を通過する。Ｘ−Ｙスキャン光学系２０を通過したレーザ光は、ハーフミラー４により反射され、レンズ２により集光され、ピンホール部材７のピンホールを通過して受光素子３０に入射する。ピンホール部材７のピンホールは、レンズ２の焦点位置に配置される。このように、本実施の形態においては反射型の形状測定装置５００が用いられるが、測定対象物Ｓが細胞等の透明体である場合には、透過型の形状測定装置が用いられてもよい。

本実施の形態では、受光素子３０は光電子増倍管である。受光素子３０としてフォトダイオードおよび増幅器を用いてもよい。受光素子３０は、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）を出力する。制御部３００は、Ａ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）、ＦＩＦＯ（First In First Out）メモリおよびＣＰＵ（中央演算処理装置）を含む。受光素子３０から出力される受光信号は、制御部３００のＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次ＰＣ２００に転送される。

制御部３００は、画素データをＰＣ２００に与えるとともに、ＰＣ２００からの指令に基づいて受光素子３０の受光感度（ゲイン）を制御する。また、制御部３００は、ＰＣ２００からの指令に基づいてＸ−Ｙスキャン光学系２０を制御することによりレーザ光を測定対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査させる。

対物レンズ３は、レンズ駆動部６３によりＺ方向に移動可能に設けられる。制御部３００は、ＰＣ２００からの指令に基づいてレンズ駆動部６３を制御することにより対物レンズ３をＺ方向に移動させることができる。これにより、対物レンズ３に対する測定対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置を変化させることができる。

ＰＣ２００は、ＣＰＵ２１０、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２０、作業用メモリ２３０および記憶装置２４０を含む。ＲＯＭ２２０には、システムプログラムが記憶される。作業用メモリ２３０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）からなり、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置２４０は、ハードディスク等からなる。記憶装置２４０には、画像処理プログラムが記憶される。また、記憶装置２４０は、制御部３００から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。

ＣＰＵ２１０は、制御部３００から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。また、ＣＰＵ２１０は、生成した画像データに作業用メモリ２３０を用いて各種処理を行うとともに、画像データに基づく画像を表示部４００に表示させる。さらに、ＣＰＵ２１０は、後述するステージ駆動部６２に駆動パルスを与える。表示部４００は、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。

ステージ６０は、Ｘ方向移動機構、Ｙ方向移動機構およびＺ方向移動機構を有する。Ｘ方向移動機構、Ｙ方向移動機構およびＺ方向移動機構には、ステッピングモータまたはピエゾ素子が用いられる。ステージ６０のＸ方向移動機構、Ｙ方向移動機構およびＺ方向移動機構は、ステージ操作部６１およびステージ駆動部６２により駆動される。

使用者は、ステージ操作部６１を手動で操作することにより、ステージ６０を対物レンズ３に対して相対的にＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させることができる。ステージ駆動部６２は、ＰＣ２００より与えられる駆動パルスに基づいて、ステージ６０のステッピングモータに電流を供給することにより、ステージ６０を対物レンズ３に相対的にＸ方向、Ｙ方向またはＺ方向に移動させることができる。あるいは、ステージ駆動部６２は、ＰＣ２００による制御に基づいて、ステージ６０のピエゾ素子に電圧を印加することにより、ステージ６０を対物レンズ３に相対的にＸ方向、Ｙ方向またはＺ方向に移動させることができる。

（２）共焦点方式の高さ形状測定
図２は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の定義を示す図である。図２に示すように、対物レンズ３により集光されたレーザ光が測定対象物Ｓに照射される。本実施の形態においては、対物レンズ３の光軸の方向をＺ方向と定義する。また、Ｚ方向と直交する面内において、互いに直交する二方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向と定義する。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を矢印Ｘ，Ｙ，Ｚでそれぞれ示す。

Ｚ方向において対物レンズ３に対する測定対象物Ｓの表面の相対的な位置を測定対象物ＳのＺ方向の位置と呼ぶ。画像データの生成は、単位領域ごとに行なわれる。単位領域は対物レンズ３の倍率により定まる。

測定対象物ＳのＺ方向の位置が一定の状態で、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０により単位領域内のＹ方向の端部でレーザ光がＸ方向に走査される。Ｘ方向の走査が終了すると、レーザ光がＸ−Ｙスキャン光学系２０によりＹ方向に一定の間隔だけ変移される。この状態でレーザ光がＸ方向に走査される。単位領域内でレーザ光のＸ方向の走査およびＹ方向の変移が繰り返されることにより、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が終了する。次に、対物レンズ３がＺ方向に移動される。それにより、対物レンズ３のＺ方向の位置が前回と異なる一定の状態で、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が行なわれる。測定対象物ＳのＺ方向の複数の位置で単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が行なわれる。

測定対象物ＳのＺ方向の位置ごとにＸ方向およびＹ方向の走査により画像データが生成される。これにより、単位領域内でＺ方向の位置が異なる複数の画像データが生成される。

ここで、画像データのＸ方向の画素数は、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０によるレーザ光のＸ方向の走査速度と制御部３００のサンプリング周期とにより定まる。１回のＸ方向の走査（１本の走査線）におけるサンプリング数がＸ方向の画素数となる。また、単位領域の画像データのＹ方向の画素数は、Ｘ方向の走査の終了ごとのＸ−Ｙスキャン光学系２０によるレーザ光のＹ方向の変移量により定まる。Ｙ方向における走査線の数がＹ方向の画素数となる。さらに、単位領域の画像データの数は、測定対象物ＳのＺ方向の移動回数により定まる。

図２の例では、まず、ステージ６０の最初の位置で一の単位領域における測定対象物Ｓの複数の画像データが生成される。続いて、ステージ６０が順次移動することにより他の単位領域における測定対象物Ｓの複数の画像データが生成される。この場合、隣接する単位領域の一部が互いに重なるように、単位領域が設定されてもよい。

図３は、対物レンズ３として非干渉型対物レンズ３Ａを用いた場合の１つの画素についての受光強度分布の一例を示す図である。図３の横軸は測定対象物ＳのＺ方向の位置を表わし、縦軸は受光素子３０の受光強度を表わす。図１に示したように、ピンホール部材７のピンホールはレンズ２の焦点位置に配置される。

そのため、測定対象物Ｓの表面が非干渉型対物レンズ３Ａの焦点位置にあるときに、測定対象物Ｓにより反射されたレーザ光がピンホール部材７のピンホールの位置に集光される。それにより、測定対象物Ｓにより反射されたレーザ光の大部分がピンホール部材７のピンホールを通過して受光素子３０に入射する。この場合、受光素子３０の受光強度は最大になる。したがって、受光素子３０から出力される受光信号の電圧値は最大となる。

一方、測定対象物Ｓが非干渉型対物レンズ３Ａの焦点位置から外れた位置にあるときには、測定対象物Ｓにより反射されたレーザ光はピンホール部材７のピンホールの前または後の位置に集光される。それにより、測定対象物Ｓにより反射されたレーザ光の多くはピンホール部材７のピンホールの周囲の部分で遮られ、受光素子３０の受光強度は低下する。したがって、受光素子３０から出力される受光信号の電圧値は低下する。

このように、測定対象物Ｓの表面が非干渉型対物レンズ３Ａの焦点位置にある状態で受光素子３０の受光強度分布にピークが現れる。各単位領域の複数の画像データから、画素ごとにＺ方向における受光強度分布が得られる。それにより、画素ごとに受光強度分布のピーク位置とピーク強度（ピークの受光強度）とが得られる。

測定対象物ＳのＺ方向の位置を変化させたときの受光強度に例えばガウシアン曲線またはスプライン曲線をフィッティングさせることにより、Ｚ方向におけるピーク位置が算出される。Ｚ方向におけるピーク位置に基づいて、測定対象物Ｓの表面の高さ形状を測定することができる。高さ形状の測定の分解能は、図３の曲線の半値全幅Γに依存する。半値全幅Γは、非干渉型対物レンズ３Ａの開口数が大きく、レーザ光の波長が短いほど小さくなる。例えば、非干渉型対物レンズ３Ａの開口数が０．９５であり、レーザ光の波長が４０８ｎｍである場合、半値全幅Γは５００ｎｍとなる。この場合、分解能は０．５〜１ｎｍとなる。

各単位領域の各画素についてのＺ方向におけるピーク位置を表わすデータを共焦点高さデータと呼ぶ。また、共焦点高さデータに基づく高さ形状測定を共焦点方式の高さ形状測定と呼ぶ。ＰＣ２００は、制御部３００から与えられる単位領域の複数の画素データに基づいて単位領域の複数の画像データを生成し、複数の画像データに基づいて単位領域の各画素についての共焦点高さデータを生成する。

（３）干渉方式の高さ形状測定
図４は、干渉型対物レンズ３Ｂの構成を示す図である。図４の例においては、干渉型対物レンズ３Ｂは、ミラウ干渉方式の干渉型対物レンズである。図４に示すように、干渉型対物レンズ３Ｂは、レンズ３１、ビームスプリッタ３２および参照ミラー３３を含む。

図１のレーザ光源１０から出射されたレーザ光は、図４のレンズ３１を通過した後、ビームスプリッタ３２により２つのレーザ光に分離される。一方のレーザ光についてのレンズ３１の焦点位置に参照ミラー３３が配置される。他方のレーザ光についてのレンズ３１の焦点位置付近に測定対象物Ｓが配置される。

一方のレーザ光は、参照ミラー３３により反射され、ビームスプリッタ３２により反射され、レンズ３１を通過した後、非干渉型対物レンズ３Ａを用いた場合と同様に図１の受光素子３０に入射する。他方のレーザ光は、測定対象物Ｓにより反射され、ビームスプリッタ３２およびレンズ３１を通過した後、非干渉型対物レンズ３Ａを用いた場合と同様に図１の受光素子３０に入射する。

このように、対物レンズ３のレンズ３１、ビームスプリッタ３２および参照ミラー３３により干渉光学系が構成される。本例においては、対物レンズ３はミラウ干渉方式の干渉型対物レンズであるが、これに限定されない。図５は、対物レンズ３の他の構成を示す図である。図５（ａ）の例においては、対物レンズ３は、マイケルソン干渉方式の干渉型対物レンズである。図５（ｂ）の例においては、対物レンズ３は、リニック干渉方式の干渉型対物レンズである。

図５（ａ）に示すように、マイケルソン干渉方式の対物レンズ３は、図３のミラウ干渉方式の対物レンズ３と同様に、レンズ３１、ビームスプリッタ３２および参照ミラー３３により構成される。一方、図５（ｂ）に示すように、リニック干渉方式の対物レンズ３は、干渉型対物レンズはレンズ３１、ビームスプリッタ３２、参照ミラー３３およびレンズ３４により構成される。リニック干渉方式の対物レンズ３においては、図１のレーザ光源１０から出射されたレーザ光は、レンズ３１を通過する前にビームスプリッタ３２により２つのレーザ光に分離される。そのため、ビームスプリッタ３２と測定対象物Ｓとの間にレンズ３１が配置されるとともに、ビームスプリッタ３２と参照ミラー３３との間にレンズ３４が配置される。

図６は、対物レンズ３として干渉型対物レンズ３Ｂを用いた場合の１つの画素についての受光強度分布の一例を示す図である。図６の横軸は測定対象物ＳのＺ方向の位置を表わし、縦軸は受光素子３０の受光強度を表わす。以下、一方のレーザ光が受光素子３０に入射するまでの光路長と他方のレーザ光の光路長が受光素子３０に入射するまでの光路長との差を光路差と呼ぶ。本例において、参照ミラー３３はレンズ３１の焦点位置に配置される。この場合、光路差は、測定対象物Ｓとレンズ３１の焦点位置との間のずれの２倍に等しい。

光路差が１／２×（２ｎ）×λ（ｎ：整数、λ：波長）である場合、すなわち測定対象物Ｓが干渉型対物レンズ３Ｂのレンズ３１の焦点位置から１／４×（２ｎ）×λずれた位置にある場合、受光素子３０に入射する２つのレーザ光は強め合う。一方、光路差が１／２×（２ｎ＋１）×λである場合、すなわち測定対象物Ｓがレンズ３１の焦点位置から１／４×（２ｎ＋１）×λずれた位置にある場合、受光素子３０に入射する２つのレーザ光は弱め合う。

測定対象物Ｓの表面が干渉型対物レンズ３Ｂの焦点位置にあるときに、参照ミラー３３により反射されたレーザ光と測定対象物Ｓにより反射されたレーザ光とがピンホール部材７のピンホールの位置に集光される。それにより、参照ミラー３３により反射されたレーザ光および測定対象物Ｓにより反射されたレーザ光の大部分がピンホール部材７のピンホールを通過して受光素子３０に入射する。この場合、２つのレーザ光の光路長が等しいため、２つのレーザ光が強め合う。その結果、図６に示すように、受光素子３０から出力される受光信号の電圧値は最大となる。

また、測定対象物Ｓが干渉型対物レンズ３Ｂの焦点位置から外れた位置にあるときには、測定対象物Ｓにより反射されたレーザ光はピンホール部材７のピンホールの前または後の位置に集光される。それにより、測定対象物Ｓにより反射されたレーザ光の多くはピンホール部材７のピンホールの周囲の部分で遮られ、受光素子３０の受光強度は低下する。そのため、測定対象物Ｓが干渉型対物レンズ３Ｂの焦点位置から外れた位置にあるときには、２つのレーザ光が強め合う場合であっても、受光素子３０へ向かう２つのレーザ光の一部がピンホール部材７のピンホールにより遮られる。その結果、図６に示すように、受光素子３０から出力される受光信号の電圧値は、測定対象物Ｓが干渉型対物レンズ３Ｂの焦点位置にあるときの受光信号の電圧値よりも低下する。

図６の受光強度分布は、干渉方式の受光強度分布（後述する図１６および図１８（ａ）〜（ｃ）の受光強度分布）成分および共焦点方式の受光強度分布（図３の受光強度分布）成分の重畳波形を有する。

図６の受光強度分布に演算処理が行われることにより、干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分が抽出されてもよい。共焦点方式の受光強度分布成分は、例えば図６の受光強度分布に低域通過フィルタまたはモルフォロジカルフィルタを適用することにより抽出される。干渉方式の受光強度分布成分は、例えば上記の方法により抽出された共焦点方式の受光強度分布成分を図６の受光強度分布から除去することにより抽出される。この場合、抽出された干渉方式の受光強度分布成分の複数のピークの振幅を略均一にする補正処理が行われてもよい。

本実施の形態においては、以下の位相シフト干渉方式により測定対象物Ｓの表面の高さ形状を測定する。まず、光路長をλ／４ずつ、すなわち測定対象物ＳのＺ方向の位置をλ／８ずつ４回変化させる。また、測定対象物ＳのＺ方向の位置に対応する４つの受光強度を受光素子３０により測定する。

具体的には、まず、測定対象物ＳがＺ方向の任意の初期位置にあるときの受光強度（第１の強度Ｉ１）を受光素子３０により測定する。次に、測定対象物Ｓが初期位置からλ／８の位置にあるときの受光強度（第２の強度Ｉ２）を受光素子３０により測定する。その後、測定対象物Ｓが初期位置からλ／４の位置にあるときの受光強度（第３の強度Ｉ３）を受光素子３０により測定する。最後に、測定対象物Ｓが初期位置から３λ／８の位置にあるときの受光強度（第４の強度Ｉ４）を受光素子３０により測定する。

このとき、２つの光の位相差φは、φ＝ｔａｎ^−１［（Ｉ１−Ｉ３）／（Ｉ２−Ｉ４）］で与えられる。また、干渉型対物レンズ３Ｂの焦点位置からの高さｈは、ｈ＝φλ／（４π）で与えられる。なお、位相差φには２πの整数倍の任意性があるので、高さｈが連続的に変化しているという仮定に基づいて、近傍位相接続法またはＭＳＴ（Minimum Spanning Tree）法等の演算処理が行われる。

受光強度を測定する位置は、初期位置、初期位置からλ／８の位置、初期位置からλ／４の位置および初期位置から３λ／８の位置の４つに限られない。受光強度を測定する位置に応じて、受光強度から位相差φを算出する式は異なる。位相差φは、受光強度を測定する位置に基づいて数学的手法により算出することができる。

測定対象物Ｓの表面全体について高さｈを算出することにより、測定対象物Ｓの表面の高さ形状を測定することができる。位相シフト干渉方式による高さ形状の測定の分解能は、０．１ｎｍ以下となる。

各単位領域の各画素についての高さｈを表わすデータを干渉高さデータと呼ぶ。また、干渉高さデータに基づく高さ形状測定を干渉方式の高さ形状測定と呼ぶ。ＰＣ２００は、制御部３００から与えられる単位領域の複数の画素データに基づいて単位領域の複数の画像データを生成し、複数の画像データに基づいて単位領域の各画素についての干渉高さデータを生成する。

（４）傾斜角度に基づく測定方式の推定
測定対象物Ｓの表面に大きな傾斜角度の領域が存在する場合、その領域において反射されるレーザ光による干渉パターン（干渉縞）の間隔が密となる。この場合、受光素子３０により隣接する画素間における干渉縞の判別を行うことが困難となる。そのため、測定対象物Ｓの表面に大きな傾斜角度の領域が存在しない場合に比べて、干渉高さデータの精度は低くなり、または干渉高さデータの算出が困難となる。一方、測定対象物Ｓの表面に大きな傾斜角度の領域が存在する場合であっても、共焦点高さデータの精度はほとんど低下しない。

このように、測定対象物Ｓの表面に大きな傾斜角度の領域が存在しない場合および低い反射率の領域が存在しない場合のように測定対象物Ｓの表面に特定の状態の領域が存在しない場合には、干渉方式の受光強度分布に基づいて算出される干渉高さデータは、共焦点方式の受光強度分布に基づいて算出される共焦点高さデータよりも高い精度を有する。一方、測定対象物Ｓの表面に大きな傾斜角度の領域が存在する場合または低い反射率の領域が存在する場合のように測定対象物Ｓの表面に特定の状態の領域が存在する場合には、干渉方式の受光強度分布に基づいて算出される干渉高さデータの精度は低くなり、または干渉高さデータの算出が困難となる。

そこで、測定対象物Ｓの表面の部分的な性質に応じて、干渉方式の高さ形状測定および共焦点方式の高さ形状測定のいずれに基づいて測定対象物Ｓの高さ形状が測定されるかが判定される。本実施の形態においては、測定対象物Ｓの表面の画素ごとに干渉方式の高さ形状測定により測定可能であるか否かが判定される。干渉方式の高さ形状測定により測定可能な画素については、干渉高さデータに基づいて測定対象物Ｓの表面の高さが測定される。干渉方式の高さ形状測定により測定不可能な画素については、共焦点高さデータに基づいて測定対象物Ｓの表面の高さが測定される。

以下、各画素に対応する測定対象物Ｓの各部分の傾斜角度を各画素の傾斜角度と呼ぶ。本実施の形態においては、各画素の傾斜角度θが算出される。共焦点方式の高さ形状測定により測定された座標（ｘ，ｙ）に位置する画素に対応する測定対象物Ｓの部分の高さをｆ（ｘ，ｙ）とする。この場合、座標（ｘ，ｙ）に位置する画素とその画素にＸ方向に隣接する画素との間における測定対象物Ｓの部分の勾配Δ_ｘｆは、Δ_ｘｆ＝［ｆ（ｘ，ｙ）−ｆ（ｘ−１，ｙ）］／Δｘにより算出される。ここで、Δｘは、Ｘ方向に隣接する画素に対応する測定対象物Ｓの部分間の距離である。同様に、座標（ｘ，ｙ）に位置する画素とその画素にＹ方向に隣接する画素との間における測定対象物Ｓの部分の勾配Δ_ｙｆは、Δ_ｙｆ＝［ｆ（ｘ，ｙ）−ｆ（ｘ，ｙ−１）］／Δｙにより算出される。ここで、Δｙは、Ｙ方向に隣接する画素に対応する測定対象物Ｓの部分間の距離である。

各画素の傾斜角度θは、数１により算出される。算出された各画素の傾斜角度θは、図１の作業用メモリ２３０に記憶される。なお、各画素についての勾配Δ_ｘｆ，Δ_ｙｆが算出される前に、複数の高さデータにより構成される測定対象物Ｓの表面を表わすデータが平滑化されることにより、各画素についての高さデータのノイズが除去されてもよい。

本実施の形態においては、各画素についての傾斜角度θと予め設定された傾斜角度しきい値とが比較される。傾斜角度θが傾斜角度しきい値以下である画素については、干渉高さデータに基づいて測定対象物Ｓの表面の高さを測定することが可能であると推定される。一方、傾斜角度θが傾斜角度しきい値を超えるである画素については、干渉高さデータに基づいて測定対象物Ｓの表面の高さを測定することが不可能であると推定される。

傾斜角度しきい値は、対物レンズ３の倍率に応じて適切に設定される。対物レンズ３の倍率が２０倍の場合、傾斜角度しきい値は、例えば１５度に設定される。

（５）反射率に基づく測定方式の推定
図７は、測定対象物Ｓの表面の反射率に基づく測定方式の推定方法を説明するための図である。図７（ａ）は、本例における測定対象物Ｓの構成を示す模式的平面図である。図７（ａ）に示すように、測定対象物Ｓは、矩形状の部材Ｒ２の略中央に矩形状の部材Ｒ１が埋め込まれた構成を有する。部材Ｒ１は例えば金属であり、部材Ｒ２は例えばゴムである。

予め定められた条件として、図７（ａ）の測定対象物Ｓが対物レンズ３の焦点位置に配置される。この状態で、レーザ光が単位領域内で走査されることにより、図１の受光素子３０により測定対象物ＳのＸ方向およびＹ方向に沿った受光強度分布が得られる。以下、測定対象物Ｓが対物レンズ３の焦点位置に配置された場合の受光素子３０の受光強度を基準強度と呼ぶ。各画素の基準強度は、図１の作業用メモリ２３０に記憶される。

対物レンズ３の焦点位置を正確に特定することが困難な場合には、測定対象物Ｓが対物レンズ３の焦点位置付近の複数の位置に順次配置され、各位置で測定対象物ＳのＸ方向およびＹ方向に沿った受光強度分布が得られる。複数の位置での受光強度分布のうち最大の受光強度を有する受光強度分布が選択され、選択された受光強度分布における各画素の受光強度が基準強度として作業用メモリ２３０に記憶される。

図７（ｂ）は、測定対象物Ｓの一の単位領域内の任意のＹ方向の位置におけるＸ方向に沿った画素についての基準強度分布の一例を示す図である。図７（ｂ）の例においては、測定対象物Ｓの部材Ｒ１により反射されたレーザ光および部材Ｒ２により反射されたレーザ光が図１の受光素子３０に入射される。部材Ｒ１の反射率は、部材Ｒ２の反射率よりも高い。そのため、図７（ｂ）に示すように、測定対象物Ｓの部材Ｒ１により反射されたレーザ光による受光素子３０の基準強度は、測定対象物Ｓの部材Ｒ２により反射されたレーザ光による受光素子３０の基準強度よりも大きい。

本実施の形態においては、各画素についての基準強度と予め設定された受光強度しきい値とが比較される。基準強度が受光強度しきい値以上である画素については、干渉高さデータに基づいて測定対象物Ｓの表面の高さを測定することが可能であると推定される。一方、基準強度が受光強度しきい値未満である画素については、干渉高さデータに基づいて測定対象物Ｓの表面の高さを測定することが不可能であると推定される。

図７（ｂ）の例においては、測定対象物Ｓの部材Ｒ１により反射されたレーザ光による受光素子３０の基準強度は受光強度しきい値以上である。したがって、測定対象物Ｓの部材Ｒ１に対応する画素については、干渉高さデータに基づいて測定対象物Ｓの表面の高さを測定することが可能であると推定される。一方、測定対象物Ｓの部材Ｒ２により反射されたレーザ光による受光素子３０の基準強度は受光強度しきい値未満である。したがって、測定対象物Ｓの部材Ｒ２に対応する画素については、干渉高さデータに基づいて測定対象物Ｓの表面の高さを測定することが不可能であると推定される。

受光強度しきい値は、受光素子３０の受光強度が飽和するときの受光強度（飽和強度）の値の例えば１％に設定される。受光強度しきい値は、測定対象物Ｓが図１のステージ６０に載置されないときの受光素子３０の受光強度（迷光強度）の値と飽和強度の値との差の例えば１％を迷光強度の値に加算することにより得られる値に設定されてもよい。

なお、本実施の形態のように、干渉方式の受光強度分布を得るための受光素子３０として感度が大きい光電子増倍管を用いる場合には、微小な光を検出することができる。そのため、測定対象物Ｓの表面に低い反射率の領域が存在する場合であっても、干渉方式の受光強度分布に基づいて算出される干渉高さデータの精度は低下しない。したがって、受光素子３０として光電子増倍管を用いる場合には、反射率に基づく測定方式の判定は行われなくてもよい。

（６）高さデータの生成
第１回の測定において共焦点高さデータが生成され、第２回の測定において干渉高さデータが生成される。この場合、第１回の測定においては、対物レンズ３として非干渉型対物レンズ３Ａが光学経路中に配置される。測定対象物Ｓが、例えば非干渉型対物レンズ３Ａの焦点位置よりも十分下方に配置される。この状態で、各単位領域内でレーザ光がＸ方向およびＹ方向に走査される。

各単位領域内の走査が終了した後、非干渉型対物レンズ３Ａが０．５Γ（Γは図３の曲線の半値全幅）だけ下方に移動される。これにより、測定対象物Ｓが非干渉型対物レンズ３Ａの焦点位置に近づくように上方に相対的に移動する。この状態で、各単位領域内でレーザ光がＸ方向およびＹ方向に走査される。各単位領域内の走査が終了した後、非干渉型対物レンズ３Ａが０．５Γだけさらに下方に移動される。これにより、測定対象物Ｓが非干渉型対物レンズ３Ａの焦点位置に近づくように上方に相対的にさらに移動する。この状態で、各単位領域内でレーザ光がＸ方向およびＹ方向に走査される。

測定対象物Ｓが非干渉型対物レンズ３Ａの焦点位置よりも十分上方に移動するまで同様の動作が繰り返される。Ｚ方向における測定対象物Ｓの移動範囲を共焦点高さデータ取得範囲と呼ぶ。これにより、測定対象物Ｓの表面全体の各画素について、測定対象物ＳのＺ方向の位置および受光強度が得られる。得られた測定対象物ＳのＺ方向の位置および受光強度は、図１の作業用メモリ２３０に記憶される。測定対象物ＳのＺ方向の位置はピーク位置を含み、受光強度はピーク強度を含む。

作業用メモリ２３０に記憶されたピーク位置に基づいて共焦点高さデータが生成される。生成された共焦点高さデータは、作業用メモリ２３０に記憶される。なお、上記の測定において非干渉型対物レンズ３ＡはＺ方向に０．５Γの間隔で移動されるが、これに限定されない。非干渉型対物レンズ３ＡはＺ方向に例えば０．５Γよりも小さい間隔で移動されてもよい。

上記の第１回の測定により得られた全画素についての共焦点高さデータに基づいて、後述する方法で第２回の測定における干渉高さデータ取得範囲が算出される。

第２回の測定においては、対物レンズ３として干渉型対物レンズ３Ｂが光学経路中に配置される。測定対象物Ｓが、後述する干渉高さデータ取得範囲内における任意の初期位置に配置される。この状態で、各単位領域内でレーザ光がＸ方向およびＹ方向に走査される。各単位領域内の走査が終了した後、干渉型対物レンズ３Ｂがλ／８だけ下方に移動される。この状態で、各単位領域内でレーザ光がＸ方向およびＹ方向に走査される。各単位領域内の走査が終了した後、干渉型対物レンズ３Ｂがλ／８だけさらに下方に移動される。

同様の動作が４回繰り返される。これにより、測定対象物Ｓの表面の各画素について、測定対象物ＳのＺ方向の位置および受光強度が得られる。得られた測定対象物ＳのＺ方向の位置および受光強度は、図１の作業用メモリ２３０に記憶される。受光強度は図６の第１〜第４の強度Ｉ１〜Ｉ４を含む。

作業用メモリ２３０に記憶された第１〜第４の強度Ｉ１〜Ｉ４に基づいて干渉高さデータが生成される。生成された干渉高さデータは、作業用メモリ２３０に記憶される。なお、上記の測定において干渉型対物レンズ３ＢはＺ方向にλ／８の間隔で４回移動されるが、これに限定されない。干渉型対物レンズ３ＢはＺ方向に例えばλ／８よりも小さい間隔で、５回以上移動されてもよい。

上記の第２回の測定においては、干渉方式の高さ形状測定が可能であると推定された画素について干渉高さデータが生成され、干渉方式の高さ形状測定が不可能であると推定された画素について干渉高さデータが生成されない。

このように、干渉型対物レンズ３Ｂが光学経路に配置されている場合には、受光素子３０により、干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分の重畳波形を有する受光強度分布（図６参照）が得られる。一方、非干渉型対物レンズ３Ａが光学経路に配置されている場合には、受光素子３０により、共焦点方式の受光強度分布（図３参照）が得られる。

使用者は、干渉型対物レンズ３Ｂおよび非干渉型対物レンズ３Ａのいずれが光学経路に配置されているかを図１のＣＰＵ２１０に指定することができる。あるいは、ＣＰＵ２１０は、干渉型対物レンズ３Ｂおよび非干渉型対物レンズ３Ａのいずれが光学経路に配置されているかを判定してもよい。例えば、受光素子３０により得られる受光強度分布が比較的高い周波数成分と比較的低い周波数成分との重畳成分を有する場合、ＣＰＵ２１０は干渉型対物レンズ３Ｂが光学経路に配置されていると判定する。一方、受光素子３０により得られる受光強度分布が比較的低い周波数成分を有し、比較的高い周波数成分を有さない場合、ＣＰＵ２１０は非干渉型対物レンズ３Ａが光学経路に配置されていると判定する。

干渉型対物レンズ３Ｂが光学経路に配置されている場合には、ＣＰＵ２１０は、受光強度分布のうち干渉方式の受光強度分布成分に基づいて、干渉高さデータをそれぞれ生成する処理を行う。一方、非干渉型対物レンズ３Ａが光学経路に配置されている場合には、ＣＰＵ２１０は、共焦点方式の受光強度分布に基づいて、共焦点高さデータを生成する処理を行う。

（７）干渉高さデータ取得範囲
図８は、測定対象物Ｓの干渉高さデータ取得範囲を説明するための図である。図８（ａ）は、本例における測定対象物Ｓの構成を示す模式的斜視図である。図８（ａ）に示すように、測定対象物Ｓは、異なる高さの２段の上面を有する断面Ｌ字型のブロックである。図８（ｂ）は、図８（ａ）の測定対象物Ｓの断面図を示す。図８（ｂ）に示すように、測定対象物Ｓの下段の上面はＺ方向における高さｈ１に位置し、測定対象物Ｓの上段の上面はＺ方向における高さｈ２に位置する。

高さデータの生成における第１回の測定により測定対象物Ｓの表面全体の各画素について共焦点高さデータが生成される。生成された全画素の共焦点高さデータのヒストグラムが生成される。図８（ｃ）は、生成されたヒストグラムを示す。図８（ｃ）の縦軸は共焦点高さデータにより示されるＺ方向の高さを表わし、横軸は画素数を表わす。図８（ｃ）のヒストグラムにおいては、Ｚ方向の高さｈ１および高さｈ２に画素数のピークが現れる。一方のピークが高さｈ１に対応し、他方のピークが高さｈ２に対応する。

図８（ｃ）のヒストグラムのピークの位置を中心とする所定範囲がそれぞれ干渉高さデータ取得範囲として決定される。この場合、干渉高さデータを確実に算出可能な干渉高さデータ取得範囲を決定することができる。本実施の形態においては、ヒストグラムのピークの位置を中心とする例えばλ／４×５の範囲を干渉高さデータ取得範囲とする。なお、干渉高さデータ取得範囲は、λ／４×５に限定されず、予め任意に設定することができる。

図８（ｃ）の例においては、干渉高さデータ取得範囲が２つ存在する。このように、複数の干渉高さデータ取得範囲が設定されてもよい。この場合、複数の干渉高さデータ取得範囲の合計は、共焦点高さデータ取得範囲よりも小さい。また、１つの干渉高さデータ取得範囲が設定されてもよい。この場合にも、干渉高さデータ取得範囲は、共焦点高さデータ取得範囲よりも小さい。

また、図８（ｃ）のヒストグラムに現れたピークの画素数が予め設定された画素数しきい値よりも小さい場合には、そのピークに対応する干渉高さデータ取得範囲は無視されてもよい。共焦点方式の受光強度分布にノイズが存在する場合、干渉方式の受光強度分布を取得する必要がない範囲に微小な画素数が発生することがある。このような場合でも、ノイズに起因するピークに対応する干渉高さデータ取得範囲が無視されることにより、不要な範囲において干渉方式の受光強度分布が取得されることが防止される。これにより、ノイズに起因するピークに対応する高さにおいて、第２回の測定が行われることが防止される。

上記のように、第１回の測定において各画素について共焦点高さデータ取得範囲内で共焦点高さデータが生成される。また、干渉方式の受光強度分布を取得すべき範囲として共焦点高さデータ取得範囲内で干渉高さデータを算出可能な干渉高さデータ取得範囲が決定される。その後、第２回の測定において決定された干渉高さデータ取得範囲内での受光強度分布の取得により干渉高さデータが取得される。それにより、干渉高さデータが短時間で得られる。

（８）画素の対応付け処理
第１回の測定において用いられる対物レンズ３（非干渉型対物レンズ３Ａ）と第２回の測定において用いられる対物レンズ３（干渉型対物レンズ３Ｂ）とには、光軸のずれまたは倍率の誤差があり得る。したがって、光学経路中に非干渉型対物レンズ３Ａが配置された場合に定まる画素と光学経路中に干渉型対物レンズ３Ｂが配置された場合に定まる画素とが対応しない可能性がある。

本例においては、後述する高さ形状測定処理が行われる前に、第１回の測定における画素と第２回の測定における画素との対応付け処理が行われる。図９は、画素の対応付け処理を示すフローチャートである。図１０は、画素の対応付け処理において用いられるチャートの一例を示す平面図である。

使用者は、図１の測定部１００のステージ６０に図１０のチャートＣを傾きがないように載置する。チャートＣは、画素の対応付け処理において用いられる測定対象物Ｓである。図１０に示すように、チャートＣの表面上には、互いに直交する複数の線分および斜め方向の複数の線分を含む線図が描かれている。

次に、使用者は、光学経路中に非干渉型対物レンズ３Ａを配置する。この状態で、ＣＰＵ２１０は、第１回の測定としてチャートＣの第１回測定データを取得する（ステップＳ１）。本例において、第１回測定データは、チャートＣの画像データである。続いて、使用者は、光学経路中に干渉型対物レンズ３Ｂを配置する。この状態で、ＣＰＵ２１０は、第２回の測定としてチャートＣの第２回測定データを取得する（ステップＳ２）。本例において、第２回測定データは、チャートＣの画像データである。

その後、ＣＰＵ２１０は、取得された第１および第２回測定データに基づいて、第１回の測定における画素と第２回の測定における画素との位置ずれ量を算出する（ステップＳ３）。また、ＣＰＵ２１０は、取得された第１および第２回測定データに基づいて、第１回の測定における画素と第２回の測定における画素との倍率ずれ量を算出する（ステップＳ４）。

最後に、ＣＰＵ２１０は、算出された位置ずれ量および倍率ずれ量に基づいて、第１回の測定における画素と第２回の測定における画素とを対応付ける（ステップＳ５）。これにより、第１回の測定において非干渉型対物レンズ３Ａを用いて共焦点方式による高さ形状測定を行い、第２回の測定において干渉型対物レンズ３Ｂを用いて干渉方式による高さ形状測定を行うことが可能となる。

（９）高さ形状測定処理
図１１〜図１４は、高さ形状測定処理を示すフローチャートである。まず、ＣＰＵ２１０は、光学経路中に非干渉型対物レンズ３Ａを配置する（ステップＳ１１）。この状態で、ＣＰＵ２１０は、第１回の測定を実行する（ステップＳ１２）。次に、ＣＰＵ２１０は、第１回の測定により得られた受光強度分布に基づいて、測定対象物Ｓの表面全体の各画素について基準強度を算出する（ステップＳ１３）。算出された各画素についての基準強度は、図１の作業用メモリ２３０に記憶される。

また、ＣＰＵ２１０は、第１回の測定により得られた受光強度分布に基づいて、測定対象物Ｓの表面全体の各画素についてＺ方向の受光量分布のピーク位置を算出する（ステップＳ１４）。算出された各画素についてのピーク位置は、作業用メモリ２３０に記憶される。続いて、ＣＰＵ２１０は、算出されたピーク位置に基づいて共焦点高さデータを生成する（ステップＳ１５）。生成された共焦点高さデータは、作業用メモリ２３０に記憶される。その後、ＣＰＵ２１０は、生成された共焦点高さデータに基づいて、各画素について傾斜角度を算出する（ステップＳ１６）。算出された各画素についての傾斜角度は、作業用メモリ２３０に記憶される。

次に、ＣＰＵ２１０は、ｉ番目（ｉは１からＮまでの自然数）の画素についての傾斜角度θを作業用メモリ２３０から抽出する（ステップＳ１７）。変数ｉの初期値は１である。続いて、ＣＰＵ２１０は、抽出された傾斜角度θが予め設定された傾斜角度しきい値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１８）。

ステップＳ１８で、傾斜角度θが傾斜角度しきい値以下である場合、ＣＰＵ２１０は、フラグを“０”に設定する（ステップＳ１９）。フラグ“０”は、干渉方式の高さ形状測定による測定対象物Ｓの表面の高さ形状の測定が可能であることを意味する。一方、ステップＳ１８で、傾斜角度θが傾斜角度しきい値を超える場合、ＣＰＵ２１０は、フラグを“１”に設定する（ステップＳ２０）。フラグ“１”は、干渉方式の高さ形状測定による測定対象物Ｓの表面の高さ形状の測定が不可能であることを意味する。

次に、ＣＰＵ２１０は、設定されたフラグが“０”であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１で、設定されたフラグが“０”でない場合、すなわち設定されたフラグが“１”である場合、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ２５の処理に進む。一方、ステップＳ２１で、設定されたフラグが“０”である場合、ＣＰＵ２１０は、ｉ番目の画素についての基準強度を作業用メモリ２３０から抽出する（ステップＳ２２）。

続いて、ＣＰＵ２１０は、抽出された基準強度が予め設定された受光強度しきい値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。ステップＳ２３で、基準強度が受光強度しきい値以上である場合、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ２５の処理に進む。一方、ステップＳ２３で、基準強度が受光強度しきい値未満である場合、ＣＰＵ２１０は、フラグを“１”に更新する（ステップＳ２４）。

その後、ＣＰＵ２１０は、変数ｉの値がＮであるか否かを判定する（ステップＳ２５）。ステップＳ２５で、変数ｉの値がＮでない場合、ＣＰＵ２１０は、変数ｉの値を１だけ増加させ（ステップＳ２６）、ステップＳ１７の処理に戻り、変数ｉの値がＮになるまでステップＳ１７〜Ｓ２６の処理を繰り返し行う。この処理により、干渉方式の高さ形状測定により測定可能な画素にフラグ“０”が設定され、干渉方式の高さ形状測定により測定不可能な画素にフラグ“１”が設定される。設定された各画素についてのフラグは、作業用メモリ２３０に記憶される。

ステップＳ２５で、変数ｉの値がＮである場合、ＣＰＵ２１０は、フラグ“０”の画素についての共焦点高さデータを抽出する（ステップＳ２７）。次に、ＣＰＵ２１０は、抽出された共焦点高さデータのヒストグラムを生成する（ステップＳ２８）。続いて、ＣＰＵ２１０は、生成されたヒストグラムに基づいて、データ取得範囲を決定する（ステップＳ２９）。これにより、フラグ“０”が設定された画素には、データ取得範囲が決定される。

次に、ＣＰＵ２１０は、光学経路中に干渉型対物レンズ３Ｂを配置する（ステップＳ３０）。この状態で、ＣＰＵ２１０は、決定されたデータ取得範囲内において第２回の測定を実行する（ステップＳ３１）。なお、本例においては、ヒストグラムのピークの中心から下方に（Δλ＋λ／８）の位置および（Δλ＋λ／４）の位置ならびにヒストグラムのピークの中心から上方に（Δλ＋λ／８）の位置および（Δλ＋λ／４）の位置における受光強度を得る。ここで、Δλは、予め任意に設定することができ、本例においてはλ／１６×５に設定される。

次に、ＣＰＵ２１０は、フラグ“０”の画素について図６の第１〜第４の強度Ｉ１〜Ｉ４を算出する（ステップＳ３２）。続いて、ＣＰＵ２１０は、算出された第１〜第４の強度Ｉ１〜Ｉ４に基づいて干渉高さデータを生成する（ステップＳ３３）。

その後、ＣＰＵ２１０は、フラグ“０”が設定された画素についての共焦点高さデータを抽出する（ステップＳ３４）。また、ＣＰＵ２１０は、フラグ“０”が設定された画素についての干渉高さデータを抽出する（ステップＳ３５）。

続いて、ＣＰＵ２１０は、抽出された共焦点高さデータの平均値を算出する（ステップＳ３６）。また、ＣＰＵ２１０は、抽出された干渉高さデータの平均値を算出する（ステップＳ３７）。次いで、ＣＰＵ２１０は、共焦点高さデータの平均値と干渉高さデータの平均値との差分を算出する（ステップＳ３８）。

その後、ＣＰＵ２１０は、算出された差分に基づいて、共焦点高さデータまたは干渉高さデータを較正する（ステップＳ３９）。共焦点高さデータまたは干渉高さデータの較正は、例えば、共焦点高さデータまたは干渉高さデータに差分を加算することにより行われる。これにより、共焦点高さデータの高さの基準と干渉高さデータの高さの基準とを一致させることができる。

最後に、ＣＰＵ２１０は、干渉高さデータおよび共焦点高さデータを用いて測定対象物Ｓの表面の高さ形状を示す形状データを生成する（ステップＳ４０）。これにより、高さ形状測定処理を終了する。

なお、上述のように、本実施の形態においては、干渉方式の受光強度分布を得るための受光素子３０として光電子増倍管が用いられる。したがって、反射率に基づく測定方式の判定は行われなくてもよい。この場合、ステップＳ１３，Ｓ２１〜Ｓ２４の処理は省略される。

（１０）効果
本実施の形態に係る形状測定装置５００においては、干渉方式の受光強度分布を取得すべき干渉高さデータ取得範囲は、共焦点高さデータ取得範囲内の一部に設定される。そのため、共焦点高さデータ取得範囲の全体にわたって、干渉方式の受光強度分布を取得する必要がない。

また、傾斜角度θが傾斜角度しきい値以下でかつ基準強度が受光強度しきい値以上である画素について算出されるべき干渉高さデータは、予め設定された精度を有すると推定される。一方、傾斜角度θが傾斜角度しきい値を超えるかまたは基準強度が受光強度しきい値未満である画素について算出されるべき干渉高さデータは、予め設定された精度を有しないと推定される。そのため、傾斜角度θが傾斜角度しきい値を超えるかまたは基準強度が受光強度しきい値未満である画素については、干渉方式の受光強度分布が取得されない。これにより、測定対象物Ｓの表面の形状をより短時間で測定することができる。

さらに、傾斜角度θが傾斜角度しきい値以下でかつ基準強度が受光強度しきい値以上である画素については干渉高さデータ、傾斜角度θが傾斜角度しきい値を超えるかまたは基準強度が受光強度しきい値未満である画素については、共焦点高さデータを用いて形状データが生成される。これらの結果、測定対象物Ｓの表面の形状を精密にかつ効率よく短時間で測定することができる。

また、本実施の形態に係る形状測定装置５００においては、測定部１００が一のレーザ光源１０および一の受光素子３０により構成される。これにより、形状測定装置５００を小型化することができる。また、形状測定装置５００の製造コストを低減することができる。

さらに、本実施の形態に係る形状測定装置５００においては、位相シフト干渉方式により干渉高さデータを高い精度で算出することができる。

［２］第２の実施の形態
第２の実施の形態に係る形状測定装置について、第１の実施の形態に係る形状測定装置５００と異なる点を説明する。

（１）形状測定装置の基本構成
図１５は、第２の実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。図１５に示すように、本実施の形態に係る形状測定装置５００の測定部１００は、単色光源４０およびＣＣＤ（電荷結合素子）カメラ５０をさらに含む。また、測定部１００において、図１のミラー５Ａがハーフミラー５Ｂに置き換えられる。

単色光源４０は、例えば半導体レーザである。単色光源４０により発生された単色光は、ハーフミラー６により反射された後、対物レンズ３によりステージ６０上の測定対象物Ｓに集光される。この場合、測定対象物Ｓの全体に単色光が照射されるようにビーム径が設定される。

測定対象物Ｓの表面に照射されるレーザ光および単色光ならびに測定対象物Ｓにより反射されたレーザ光および単色光の光学経路に非干渉型対物レンズ３Ａおよび干渉型対物レンズ３Ｂが選択的に配置される。

なお、単色光源４０は、半導体レーザに代えて水銀ランプ等の他の光源と帯域通過フィルタとにより構成されてもよい。この場合、水銀ランプ等の光源とハーフミラー６との間に帯域通過フィルタが配置される。水銀ランプ等の光源から出射された光は、帯域通過フィルタを通過することにより単色光となり、ハーフミラー６に入射する。また、ハーフミラー５Ｂ，６に代えて偏光ビームスプリッタが用いられてもよい。

測定対象物Ｓにより反射された単色光は、対物レンズ３、ハーフミラー６およびハーフミラー５Ｂを透過してＣＣＤカメラ５０に入射する。ＣＣＤカメラ５０に代えてＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の撮像素子が用いられてもよい。ＣＣＤカメラ５０は、２次元に配置された複数の画素（受光部）を有する。そのため、ＣＣＤカメラ５０により測定対象物Ｓの表面で反射された単色光の受光量分布が得られる。

ＣＣＤカメラ５０は、各画素（受光部）の受光量に対応する電気信号を順次出力する。ＣＣＤカメラ５０の出力信号は、制御部３００のＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、カメラ画素データとして順次ＰＣ２００に転送される。

制御部３００は、カメラ画素データをＰＣ２００に与えるとともに、ＰＣ２００からの指令に基づいてＣＣＤカメラ５０を制御する。記憶装置２４０には、制御部３００から与えられるカメラ画素データが保存される。ＣＰＵ２１０は、制御部３００から与えられるカメラ画素データに基づいてカメラ画像データを生成する。ＣＰＵ２１０は、生成したカメラ画像データに作業用メモリ２３０を用いて各種処理を行うとともに、カメラ画像データに基づくカメラ画像を表示部４００に表示させる。カメラ画像データの画素数（カメラ画素データの数）は、ＣＣＤカメラ５０の画素数により定まる。

（２）干渉方式の高さ形状測定
以下、図４および図１５を用いて、本実施の形態における干渉方式の高さ形状測定について説明する。なお、本実施の形態における共焦点方式の高さ形状測定は、第１の実施の形態における共焦点方式の高さ形状測定と同様である。

対物レンズ３として干渉型対物レンズ３Ｂが光学経路中に配置されている場合、単色光源４０から出射された単色光は、レンズ３１を通過した後、ビームスプリッタ３２により２つの単色光に分離される。一方の単色光は、参照ミラー３３により反射され、ビームスプリッタ３２およびレンズ３１を通過した後、図１５のハーフミラー６，５Ｂを通過してＣＣＤカメラ５０に入射する。他方の単色光は、測定対象物Ｓにより反射され、ビームスプリッタ３２およびレンズ３１を通過した後、ハーフミラー６，５Ｂを通過してＣＣＤカメラ５０に入射する。

図１６は、ＣＣＤカメラ５０により得られる１つの画素についての単色光の受光強度分布を示す図である。本実施の形態における光路差は、一方の単色光がＣＣＤカメラ５０に入射するまでの光路長と他方の単色光の光路長がＣＣＤカメラ５０に入射するまでの光路長との差である。

光路差が１／２×（２ｎ）×λである場合、ＣＣＤカメラ５０に入射する２つの単色光は強め合う。一方、光路差が１／２×（２ｎ＋１）×λである場合、ＣＣＤカメラ５０に入射する２つの単色光は弱め合う。これにより、図１６に示すように、測定対象物ＳのＺ方向の位置に対するＣＣＤカメラ５０の受光強度は正弦波状に変化する。

本実施の形態における干渉方式の高さ形状測定は、受光素子３０ではなくＣＣＤカメラ５０により受光強度が得られる点を除いて、第１の実施の形態における干渉方式の高さ形状測定と同様である。ＰＣ２００は、制御部３００から与えられる複数のカメラ画素データに基づいて複数のカメラ画像データを生成し、複数のカメラ画像データに基づいて各画素についての干渉高さデータを生成する。

（３）高さ形状測定処理
本実施の形態においては、共焦点高さデータおよび干渉高さデータを生成するために、第１の実施の形態と同様の第１回および第２回の測定が行われる。ここで、第１回の測定において用いられる非干渉型対物レンズ３Ａと第２回の測定において用いられる干渉型対物レンズ３Ｂとには、光軸のずれまたは倍率の誤差があり得る。また、受光素子３０の出力信号に基づいて生成される画像データの画素およびＣＣＤカメラ５０の出力信号に基づいて生成されるカメラ画像データの画素は異なる。したがって、第１回の測定における画素と第２回の測定における画素とが対応しない可能性がある。

そのため、第１回および第２回の測定が行われる前に、図９の画素の対応付け処理が行われる。本実施の形態においては、ステップＳ１の第１回測定データは、図１０のチャートＣの画像データである。一方、ステップＳ２の第２回測定データは、チャートＣのカメラ画像データである。

画素の対応付け処理が行われた後、高さ形状測定処理が行われる。本実施の形態における高さ形状測定処理は、以下の点を除いて第１の実施の形態における高さ形状測定処理と同様である。

第２回の測定においては、レーザ光源１０により出射されたレーザ光ではなく、単色光源４０により出射された単色光が測定対象物Ｓに照射される。また、単色光源４０により出射される単色光は、レーザ光源１０により出射されるレーザ光と異なり、測定対象物Ｓの全体に照射される。したがって、単色光はＸ方向およびＹ方向に走査されない。

また、本実施の形態のように、干渉方式の受光強度分布を得るための受光素子として感度が小さいＣＣＤカメラ５０を用いる場合には、微小な光を検出することができない。そのため、測定対象物Ｓの表面に低い反射率の領域が存在する場合には、干渉方式の受光強度分布に基づいて算出される干渉高さデータの精度は低くなり、または干渉高さデータの算出が困難となる。したがって、反射率に基づく測定方式の判定（ステップＳ１３，Ｓ２１〜Ｓ２４の処理）は省略されない。

（４）効果
本実施の形態に係る形状測定装置５００においては、第１の実施の形態に係る形状測定装置５００と同様に、干渉方式の受光強度分布を取得すべき干渉高さデータ取得範囲は、共焦点高さデータ取得範囲内の一部に設定される。そのため、共焦点高さデータ取得範囲の全体にわたって、干渉方式の受光強度分布を取得する必要がない。これにより、共焦点高さデータ取得範囲の全体にわたって干渉方式の受光強度分布を取得する場合に比べて、短時間で測定対象物Ｓの表面の形状を測定することができる。したがって、測定対象物Ｓの表面の形状を精密にかつ効率よく短時間で測定することができる。

また、単色光源４０により出射される単色光は、レーザ光源１０により出射されるレーザ光と異なり、測定対象物Ｓの全体に照射される。したがって、単色光をＸ方向およびＹ方向に走査する必要がない。これにより、干渉方式の受光強度分布を容易かつ迅速に得ることができる。

さらに、本実施に係る形状測定装置５００においては、傾斜角度θが傾斜角度しきい値以下でかつ基準強度が受光強度しきい値以上の画素については、位相シフト干渉方式により干渉高さデータを共焦点高さデータよりも高い精度で算出することができる。

［３］第３の実施の形態
第３の実施の形態に係る形状測定装置について、第２の実施の形態に係る形状測定装置５００と異なる点を説明する。

（１）形状測定装置の基本構成
図１７は、第３の実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。図１７に示すように、本実施の形態に係る形状測定装置５００の測定部１００は、図１５の単色光源４０に代えて白色光源７０を含む。白色光源７０は、例えばタングステンランプまたは高輝度ＬＥＤ（発光ダイオード）である。

測定対象物Ｓの表面に照射されるレーザ光および白色光ならびに測定対象物Ｓにより反射されたレーザ光および白色光の光学経路に非干渉型対物レンズ３Ａおよび干渉型対物レンズ３Ｂが選択的に配置される。

（２）干渉方式の高さ形状測定
以下、図４および図１７を用いて、本実施の形態における干渉方式の高さ形状測定について説明する。なお、本実施の形態における共焦点方式の高さ形状測定は、第１および第２の実施の形態における共焦点方式の高さ形状測定と同様である。

対物レンズ３として干渉型対物レンズ３Ｂが光学経路中に配置されている場合、白色光源７０から出射された白色光は、レンズ３１を通過した後、ビームスプリッタ３２により２つの白色光に分離される。一方の白色光は、参照ミラー３３により反射され、ビームスプリッタ３２およびレンズ３１を通過した後、ＣＣＤカメラ５０に入射する。他方の白色光は、測定対象物Ｓにより反射され、ビームスプリッタ３２およびレンズ３１を通過した後、ＣＣＤカメラ５０に入射する。なお、本実施の形態における光路差は、一方の白色光がＣＣＤカメラ５０に入射するまでの光路長と他方の白色光の光路長がＣＣＤカメラ５０に入射するまでの光路長との差である。

本実施の形態においては、以下の白色干渉方式により測定対象物Ｓの表面の高さ形状を測定する。白色光は、波長λ１の赤色光、波長λ２の緑色光および波長λ３の青色光を含む。図１８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、測定対象物ＳのＺ方向の位置とＣＣＤカメラ５０に入射する赤色光、緑色光および青色光の強度との関係を示す図である。

光路差が１／２×（２ｎ）×λ１である場合、ＣＣＤカメラ５０に入射する２つの赤色光は強め合う。一方、光路差が１／２×（２ｎ＋１）×λ１である場合、ＣＣＤカメラ５０に入射する２つの赤色光は弱め合う。これにより、図１８（ａ）に示すように、測定対象物ＳのＺ方向の位置に対するＣＣＤカメラ５０に入射する赤色光の強度は正弦波状に変化する。

光路差が１／２×（２ｎ）×λ２である場合、ＣＣＤカメラ５０に入射する２つの緑色光は強め合う。一方、光路差が１／２×（２ｎ＋１）×λ２である場合、ＣＣＤカメラ５０に入射する２つの緑色光は弱め合う。これにより、図１８（ｂ）に示すように、測定対象物ＳのＺ方向の位置に対するＣＣＤカメラ５０に入射する緑色光の強度は正弦波状に変化する。

光路差が１／２×（２ｎ）×λ３である場合、ＣＣＤカメラ５０に入射する２つの青色光は強め合う。一方、光路差が１／２×（２ｎ＋１）×λ３である場合、ＣＣＤカメラ５０に入射する２つの青色光は弱め合う。これにより、図１８（ｃ）に示すように、測定対象物ＳのＺ方向の位置に対するＣＣＤカメラ５０に入射する青色光の強度は正弦波状に変化する。

図１９は、ＣＣＤカメラ５０により得られる１つの画素についての白色光の受光強度の分布を示す図である。ＣＣＤカメラ５０により得られる図１９の白色光の受光強度は、図１８（ａ）〜（ｃ）の赤色光、緑色光および青色光の強度の和となる。

図１８（ａ）〜（ｃ）に示すように、測定対象物Ｓの表面の位置が干渉型対物レンズ３Ｂの焦点位置にあるとき、赤色光、緑色光および青色光の強度が、いずれも最大となる。測定対象物Ｓの表面の位置が干渉型対物レンズ３Ｂの焦点位置から外れると、赤色光、緑色光および青色光の強度が最大になるときの測定対象物Ｓの表面の位置はそれぞれ異なる。

したがって、ＣＣＤカメラ５０により得られる白色光の受光強度分布には、図１９に示すように、受光強度が極大になる測定対象物ＳのＺ方向の位置および受光強度が極小になる測定対象物ＳのＺ方向の位置が存在する。測定対象物Ｓの表面が干渉型対物レンズ３Ｂの焦点位置にあるときには、ＣＣＤカメラ５０により得られる受光強度が最大となる。一方、測定対象物Ｓが干渉型対物レンズ３Ｂの焦点位置から外れた位置にあるときには、ＣＣＤカメラ５０により得られる受光強度は、測定対象物Ｓが干渉型対物レンズ３Ｂの焦点位置にあるときの受光強度よりも低下する。

このように、測定対象物Ｓの表面が干渉型対物レンズ３Ｂの焦点位置にある状態でＣＣＤカメラ５０の受光強度分布に複数のピークが現れる。ＣＣＤカメラ５０の受光強度分布の最大ピークの受光強度を最大受光強度と呼ぶ。また、ＣＣＤカメラ５０の受光強度分布の最大ピークの位置を最大受光位置と呼ぶ。複数のカメラ画像データから、画素ごとにＺ方向における受光強度分布が得られる。それにより、画素ごとに受光強度分布の最大受光位置と最大受光強度とが得られる。

測定対象物ＳのＺ方向の位置を変化させたときの受光強度に波長λ１〜λ３により定まる曲線をフィッティングさせることにより、Ｚ方向における最大受光位置が算出される。Ｚ方向における最大受光位置に基づいて、測定対象物Ｓの表面の高さ形状を測定することができる。白色干渉方式による高さ形状の測定の分解能は、０．１ｎｍ〜０．５ｎｍ程度となる。

本実施の形態においては、各画素についてのＺ方向における最大受光位置を表わすデータが干渉高さデータとなる。ＰＣ２００は、制御部３００から与えられる複数の画素データに基づいて複数のカメラ画像データを生成し、複数のカメラ画像データに基づいて各画素についての干渉高さデータを生成する。

（３）高さ形状測定処理
第２の実施の形態と同様に、第１回および第２回の測定が行われる前に、図９の画素の対応付け処理が行われる。本実施の形態においては、ステップＳ１の第１回測定データは、図１０のチャートＣの画像データである。一方、ステップＳ２の第２回測定データは、チャートＣのカメラ画像データである。

画素の対応付け処理が行われた後、高さ形状測定処理が行われる。本実施の形態における高さ形状測定処理は、以下の点を除いて第２の実施の形態における高さ形状測定処理と同様である。

第２回の測定においては、干渉高さデータ取得範囲内における干渉方式の受光強度に加えて、干渉高さデータ取得範囲の外側の一定範囲における干渉方式の受光強度が得られてもよい。この場合、干渉高さデータ取得範囲内における干渉方式の受光強度分布に加えて、干渉高さデータ取得範囲の外側の一定範囲における干渉方式の受光強度分布に基づいて干渉高さデータが算出される。これにより、白色干渉方式による高さデータの算出の精度を向上させることができる。

本例においては、測定対象物Ｓが、例えば干渉高さデータ取得範囲の下限よりも予め設定された距離だけさらに下方に配置される。本実施の形態においては、図８（ｃ）のヒストグラムのピークを中心とする例えばλ２／４×５（λ２は白色光に含まれる緑色光の波長）の範囲を干渉高さデータ取得範囲とする。なお、干渉高さデータ取得範囲は、λ２／４×５に限定されず、予め任意に設定することができる。この状態で、白色光が測定対象物Ｓに照射される。その後、干渉型対物レンズ３Ｂが例えばλ２／８だけ下方に移動される。この状態で、白色光が測定対象物Ｓに照射される。その後、干渉型対物レンズ３Ｂが例えばλ２／８だけさらに下方に移動される。この状態で、白色光が測定対象物Ｓに照射される。

測定対象物Ｓが干渉高さデータ取得範囲の上限よりも予め設定された距離だけさらに上方に移動するまで同様の動作が繰り返される。これにより、測定対象物Ｓの表面全体の各画素について、測定対象物ＳのＺ方向の位置および受光強度が得られる。得られた測定対象物ＳのＺ方向の位置および受光強度は、図１の作業用メモリ２３０に記憶される。測定対象物ＳのＺ方向の位置は最大受光位置を含み、受光強度は最大受光強度を含む。作業用メモリ２３０に記憶された最大受光位置および最大受光強度に基づいて干渉高さデータが生成される。生成された干渉高さデータは、作業用メモリ２３０に記憶される。

なお、上記の測定において干渉型対物レンズ３ＢはＺ方向にλ２／８の間隔で移動されるが、これに限定されない。干渉型対物レンズ３Ｂは、Ｚ方向にλ２／８よりも大きい間隔で移動されてもよい。この場合、測定対象物Ｓの表面全体の各画素について、測定対象物ＳのＺ方向の位置および受光強度を短時間で得ることができる。一方、干渉型対物レンズ３Ｂは、Ｚ方向にλ２／８よりも小さい間隔で移動されてもよい。この場合、測定対象物Ｓの表面全体の各画素について、測定対象物ＳのＺ方向の位置および受光強度を正確に得ることができる。

また、本実施の形態において、図１７の白色光源７０により出射される白色光は、図１５の単色光源４０により出射される単色光と同様に、測定対象物Ｓの全体に照射される。したがって、白色光はＸ方向およびＹ方向に走査されない。

（４）効果
本実施の形態に係る形状測定装置５００においては、第１の実施の形態に係る形状測定装置５００と同様に、干渉方式の受光強度分布を取得すべき干渉高さデータ取得範囲は、共焦点高さデータ取得範囲内の一部に設定される。そのため、共焦点高さデータ取得範囲の全体にわたって、干渉方式の受光強度分布を取得する必要がない。これにより、共焦点高さデータ取得範囲の全体にわたって干渉方式の受光強度分布を取得する場合に比べて、短時間で測定対象物Ｓの表面の形状を測定することができる。したがって、測定対象物Ｓの表面の形状を精密にかつ効率よく短時間で測定することができる。

また、単色光源４０により出射される単色光は、レーザ光源１０により出射されるレーザ光と異なり、測定対象物Ｓの全体に照射される。したがって、単色光をＸ方向およびＹ方向に走査する必要がない。これにより、干渉方式の受光強度分布を容易かつ迅速に得ることができる。

さらに、本実施の形態に係る形状測定装置５００においては、傾斜角度θが傾斜角度しきい値以下でかつ基準強度が受光強度しきい値以上の画素については、白色干渉方式により干渉高さデータを共焦点高さデータよりも高い精度で算出することができる。

［４］他の実施の形態
（１）上記実施の形態において、干渉方式の高さ形状測定により測定可能な画素については、干渉高さデータに基づいて測定対象物Ｓの表面の高さが測定されるが、これに限定されない。干渉方式の高さ形状測定により測定可能な画素については、干渉高さデータおよび共焦点高さデータに基づいて測定対象物Ｓの表面の高さが測定されてもよい。この場合において、干渉高さデータの割合が例えば５０％に設定され、共焦点高さデータの割合が例えば５０％にされてもよい。

（２）上記実施の形態において、第１回の測定で非干渉型対物レンズ３Ａを用いて共焦点高さデータが生成されるが、これに限定されない。第１回の測定で干渉型対物レンズ３Ｂを用いて共焦点高さデータが生成されてもよい。この場合、図１１のステップＳ１１において、光学経路中に非干渉型対物レンズ３Ａではなく干渉型対物レンズ３Ｂが配置される。また、図１３のステップＳ３０の処理は省略される。

（３）上記実施の形態において、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０が制御されることによりレーザ光が測定対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査されるが、これに限定されない。ステージ６０が移動されることによりレーザ光が測定対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査されてもよい。

（４）上記実施の形態において、対物レンズ３がＺ方向に移動されることにより対物レンズ３に対する測定対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置が変化されるが、これに限定されない。ステージ６０がＺ方向に移動されることにより対物レンズ３に対する測定対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置が変化されてもよい。

（５）上記実施の形態において、ＰＣ２００のＣＰＵ２１０が制御部３００の機能を有していてもよい。この場合、制御部３００は設けられなくてもよい。

（６）上記実施の形態において、レーザ光としてライン光（例えばＸ方向に延びる細長い光）が用いられてもよい。この場合、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０に代えてＸ方向への走査を行わないＹスキャン光学系が用いられる。また、受光素子３０に代えて、Ｘ方向に対応する方に配列された複数の受光素子からなるラインＣＣＤカメラ等が用いられる。

なお、ラインＣＣＤカメラの各受光素子のＹ方向に対応する方向の受光面のサイズは一般的に数１０μｍである。この場合、ラインＣＣＤカメラの受光面がレンズ２の焦点位置に配置される。観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置にあるときに、観察対象物Ｓにより反射されたライン光がラインＣＣＤカメラの受光面に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたライン光の大部分がラインＣＣＤカメラの受光面に入射する。

一方、観察対象物Ｓが対物レンズ３の焦点位置が外れた位置にあるときには、観察対象物Ｓにより反射されたライン光はラインＣＣＤカメラの受光面の前または後の位置に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたライン光の一部のみがラインＣＣＤカメラの受光面に入射する。したがって、ラインＣＣＤカメラの前にピンホール部材７を配置することが不要となる。

あるいは、レーザ光源１０およびＸ−Ｙスキャン光学系２０が設けられることに代えて、Ｘ方向およびＹ方向に走査される点光源が設けられてもよい。

あるいは、面光源と複数のピンホールが形成された円板状の回転部材とが設けられてもよい。この場合において、面光源から出力された面状の光は、回転部材のピンホールを通過することにより線状の光となる。ここで、複数のピンホールは、回転部材が１回転する間に、通過した光が測定対象物Ｓの単位領域内の全ての画素に照射されるように回転部材に形成される。

［５］請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。

測定対象物Ｓが測定対象物の例であり、形状測定装置５００が形状測定装置の例であり、測定部１００が受光強度分布取得部の例であり、共焦点高さデータが第１のデータの例であり、干渉高さデータが第２のデータの例である。共焦点高さデータ取得範囲が第１の範囲の例であり、干渉高さデータ取得範囲が第２の範囲の例であり、ＣＰＵ２１０が算出部および処理部の例である。画素数しきい値が第１のしきい値の例であり、傾斜角度しきい値が第２のしきい値の例であり、受光強度しきい値が第３のしきい値の例である。

請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。

本発明は、種々の形状測定装置および形状測定方法に有効に利用することができる。

１，２，３１，３４ レンズ
３ 対物レンズ
３Ａ 非干渉型対物レンズ
３Ｂ 干渉型対物レンズ
４，５Ｂ，６ ハーフミラー
５Ａ ミラー
７ ピンホール部材
１０ レーザ光源
２０ Ｘ−Ｙスキャン光学系
３０ 受光素子
３２ ビームスプリッタ
３３ 参照ミラー
４０ 単色光源
５０ ＣＣＤカメラ
６０ ステージ
６１ ステージ操作部
６２ ステージ駆動部
６３ レンズ駆動部
７０ 白色光源
１００ 測定部
２００ ＰＣ
２１０ ＣＰＵ
２２０ ＲＯＭ
２３０ 作業用メモリ
２４０ 記憶装置
３００ 制御部
４００ 表示部
５００ 形状測定装置
Ｃ チャート
Ｒ１，Ｒ２ 部材
Ｓ 測定対象物

Claims (9)

1. 測定対象物の表面の形状を測定する形状測定装置であって、
   前記測定対象物の表面の複数の部分に光を照射し、前記複数の部分で反射される光を受光することにより、前記複数の部分について光の照射方向における共焦点方式の受光強度分布および干渉方式の受光強度分布を取得するように構成される受光強度分布取得部と、
   前記受光強度分布取得部により取得された共焦点方式の受光強度分布に基づいて前記複数の部分について前記光の照射方向における位置を示す第１のデータをそれぞれ算出可能でかつ前記受光強度分布取得部により取得された干渉方式の受光強度分布に基づいて前記複数の部分について前記光の照射方向における位置を示す第２のデータをそれぞれ算出可能に構成される算出部と、
   前記受光強度分布取得部および前記算出部を制御するとともに、前記複数の部分について第１または第２のデータを用いて前記測定対象物の表面の形状を示す形状データを生成する処理部とを備え、
   前記処理部は、
   前記複数の部分について光の照射方向の第１の範囲内において共焦点方式の受光強度分布が取得されるとともに取得された共焦点方式の受光強度分布に基づいて前記複数の部分についての第１のデータが算出されるように前記受光強度分布取得部および前記算出部を制御した後、前記算出部により算出された第１のデータに基づいて、干渉方式の受光強度分布を取得すべき範囲として前記第１の範囲内の一部で第２のデータを算出可能な第２の範囲を決定し、前記決定された第２の範囲内において干渉方式の受光強度分布が取得されるとともに取得された干渉方式の受光強度分布に基づいて前記複数の部分の少なくとも一部についての第２のデータが算出されるように前記受光強度分布取得部および前記算出部を制御するように構成される、形状測定装置。
2. 前記処理部は、前記算出部により算出された第１のデータの値の度数に基づいて、前記第２の範囲を決定する、請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記処理部は、前記算出部により算出された第１のデータの値の度数分布におけるピークを検出し、検出されたピークの位置を含む所定範囲を前記第２の範囲として決定する、請求項１または２記載の形状測定装置。
4. 前記処理部は、前記算出部により算出された第１のデータの値の度数分布において予め設定された第１のしきい値以上の度数を有するピークを検出し、検出されたピークの位置を含む所定範囲を前記第２の範囲として決定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
5. 前記処理部は、前記複数の部分の各々について前記算出部により算出されるべき第２のデータが予め設定された精度を有するか否かを推定し、前記予め設定された精度を有すると推定される部分については、前記決定された第２の範囲内において干渉方式の受光強度分布が取得されるとともに取得された干渉方式の受光強度分布に基づいて第２のデータが算出され、前記予め設定された精度を有しないと推定される部分については、前記決定された第２の範囲内において干渉方式の受光強度分布が取得されずに第２のデータが算出されないように、前記前記受光強度分布取得部および前記算出部を制御する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
6. 前記処理部は、前記複数の部分について前記算出部により算出される第１のデータに基づいて、前記複数の部分の各々についての傾斜角度を算出し、前記算出された傾斜角度が予め設定された第２のしきい値以下であるか否かを判定し、前記算出された傾斜角度が前記予め設定された第２のしきい値よりも高い場合に前記算出部により算出されるべき第２のデータが前記予め設定された精度を有しないと推定する、請求項５記載の形状測定装置。
7. 前記処理部は、前記複数の部分の各々について、前記受光強度分布取得部により予め定められた条件で取得された受光強度が予め設定された第３のしきい値以上であるか否かを判定し、前記取得された受光強度が前記第３のしきい値よりも低い場合に前記算出部により算出されるべき第２のデータが前記予め設定された精度を有しないと推定する、請求項５または６記載の形状測定装置。
8. 前記処理部は、前記複数の部分の各々について、前記算出部により算出されるべき第２のデータが予め設定された精度を有すると推定された場合には第２のデータを選択し、前記算出部により算出されるべき第２のデータが予め設定された精度を有しないと推定された場合には第１のデータを選択し、選択された第１および第２のデータを用いて前記形状データを生成する、請求項５〜７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
9. 測定対象物の表面の形状を測定する形状測定方法であって、
   前記測定対象物の表面の複数の部分に光を照射し、前記複数の部分で反射される光を受光することにより、前記複数の部分について光の照射方向の第１の範囲内において共焦点方式の受光強度分布を取得するステップと、
   前記取得された共焦点方式の受光強度分布に基づいて前記複数の部分について前記光の照射方向における位置を示す第１のデータをそれぞれ算出するステップと、
   前記算出された第１のデータに基づいて、干渉方式の受光強度分布を取得すべき範囲として前記第１の範囲内の一部で前記光の照射方向における位置を示す第２のデータを算出可能な第２の範囲を決定するステップと、
   前記測定対象物の表面の複数の部分に光を照射し、前記複数の部分で反射される光を受光することにより、前記複数の部分の少なくとも一部について光の照射方向の前記決定された第２の範囲内において干渉方式の受光強度分布を取得するステップと、
   前記取得された干渉方式の受光強度分布に基づいて前記複数の部分の少なくとも一部について第２のデータをそれぞれ算出するステップと、
   前記複数の部分について第１または第２のデータを用いて前記測定対象物の表面の形状を示す形状データを生成するステップとを備える、形状測定方法。

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