JP2016099213A - 3次元形状測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】3次元形状測定装置において、スキャナ4は、LE2からの光を偏向させ、試料10上を走査させる。対物レンズ5は、LD2からの光を試料10上に集光させる。フォーカスエラー検出部8は、試料10からの戻り光に基づいて、LD2から出力された光が試料10上で合焦状態であるか否かを表すフォーカスエラー信号を検出する。コントローラ20の演算部21は、フォーカスエラー信号に基づいて対物レンズ5のデフォーカス量を算出し、算出したデフォーカス量より試料10の3次元形状を算出する。
【選択図】図1
Description
<第1の実施形態>
図1は、本実施形態に係る3次元形状測定装置の構成例を示す図である。図1の3次元形状測定装置は、3次元形状測定装置本体(以下、本体と略記)1と、そのコントローラ20とを有し、試料10の3次元形状を計測する。
光源であるLD2は、レーザー光を出力し、コリメートレンズ3は、LD2から出力されたレーザー光を平行状態にする。
フォーカスエラー検出部8は、結像レンズ11、シリンドリカルレンズ12及びPD(光検出器、Photo Detector)13を有し、試料10からの戻り光に基づき、LD2から出力されたレーザー光の試料10上での合焦状態(焦点ずれの方向とその量)を表すフォーカスエラー信号を検出する。
図2に示すように、4分割PDの領域ごとの出力をA〜Dとする。このとき、フォーカスエラー信号(FE信号)の値FEは、以下の式で定義される。
FE信号値と対物レンズ5のデフォーカス量とが図3の関係を示すことから、図1のコントローラ20の演算部21は、本体1のフォーカスエラー検出部8から入力されたFE信号値に対応する対物レンズ5のデフォーカス量を求める。演算部21は、求めたデフォーカス量に基づき、試料10の3次元形状を算出することができる。
あるFE信号値に対応するデフォーカス量が複数存在する場合には、対物レンズ5を距離「d」だけ高さ方向に移動させるとする。
<第2の実施形態>
図5は、本実施形態に係る3次元形状測定装置の構成例を示す図である。図5に示す3次元形状測定装置は、図1のそれと比較すると、フォーカスエラー検出部を2つ備えている点で異なる。図5においては、第1及び第2のフォーカスエラー検出部8及びその構成要素を識別するために、それぞれ符号A及びBを付して表している。以下、本実施形態の説明において同様とする。
第2のフォーカスエラー検出部8BのPD13Bの設置位置は、第1のフォーカスエラー検出部8AのPD13Aの設置位置と比べて、光学的距離「d´」分長くなるように設定される。ここで、d´は、以下の式で表される。
(2)式を満たすようPD13Bの位置を調整することで、第1及び第2のフォーカスエラー検出部8A、8Bで検出されるFE信号値とデフォーカス量との関係として、図6(a)に示す関係が実現される。
<第3の実施形態>
以下に、本実施形態に係る3次元形状測定装置について、上記の実施形態と異なる点を中心に説明する。
また、図7の3次元形状測定装置本体は、顕微鏡光学系30を備えている。顕微鏡光学系30においては、白色光源であるLED31から出力された光が照明レンズ32を介してミラー33に入射する。ミラー33で反射した光は、更にミラー9で反射して、対物レンズ5に入射する。対物レンズ5は、入射した光を試料10へと集光させる。試料10上で反射した光は、ミラー9で反射して結像レンズ34を介してカメラ35に導かれ、カメラ35は、試料10の観察画像を撮像して、図7においては不図示のモニタ等に観察画像を表示させる。カメラ35がカラーCCD(Charge Coupled Device)を搭載している場合には、試料10のカラーカメラ画像を得ることができる。
<第3の実施形態の変形例>
図9A及び図9Bは、本変形例に係る3次元形状測定装置本体による光路に挿入する光学系の切り替えについて説明する図である。図9Aは、フォーカスエラー検出部8が光路に挿入され、共焦点光学系40が光路から抜去された状態を、図9Bは、共焦点光学系40が光路に挿入され、フォーカスエラー検出部8が光路から抜去された状態を示す。
2 LD(光源)
3 コリメートレンズ
4 (2次元)スキャナ
5 対物レンズ
6 λ/4波長板
7、7A、7B 偏光ビームスプリッタ(PBS)
8、8A、8B フォーカスエラー検出部
10 試料
11、11A、11B 結像レンズ
12、12A、12B シリンドリカルレンズ
13、13A、13B PD
20 コントローラ
21 演算部
22 制御部
23 記憶部
30 顕微鏡光学系
31 LED(白色光源)
32 照明レンズ
33 ミラー
34 結像レンズ
35 カメラ
40 共焦点光学系
41 結像レンズ
42 ピンホール
43 PMT
51A,51B ビームスプリッタ
Claims (11)
- 光源と、
前記光源からの光を偏向させ、試料上を走査させる偏向手段と、
前記光源からの光を前記試料上に集光させる対物レンズと、
前記試料からの戻り光に基づいて、前記光源から出力された光が前記試料上で合焦状態であるか否かを表すフォーカスエラー信号を検出する検出部と、
前記フォーカスエラー信号に基づいて前記対物レンズのデフォーカス量を算出し、算出したデフォーカス量より前記試料の3次元形状を算出する演算部と、
を備えることを特徴とする3次元形状測定装置。 - 前記検出部は、複数のフォーカスエラー信号を検出し、
前記演算部は、前記検出された複数のフォーカスエラー信号からデフォーカス量を算出する
ことを特徴とする請求項1記載の3次元形状測定装置。 - 前記フォーカスエラー信号の値と前記対物レンズのデフォーカス量とを対応付けて記憶する記憶部と、
前記3次元形状測定装置の各部の制御を行う制御部と、
を更に備え、
前記制御部は、前記演算部において前記記憶部を参照しても前記フォーカスエラー信号の値より対物レンズのデフォーカス量を一意に決定できない場合は、前記対物レンズを駆動して所定の距離だけ移動させ、前記対物レンズの移動後に、前記検出部にフォーカスエラー信号を検出させ、
前記演算部は、前記対物レンズの移動の前後のフォーカスエラー信号を用いて、前記対物レンズのデフォーカス量を一意に決定する
ことを特徴とする請求項2記載の3次元形状測定装置。 - 前記演算部は、前記記憶部を参照して、前記対物レンズの移動の前後のフォーカスエラー信号の変化に対応するデフォーカス量の変化を求めることにより、前記対物レンズのデフォーカス量を一意に決定する
ことを特徴とする請求項3記載の3次元形状測定装置。 - 前記検出部は、第1のフォーカスエラー信号を検出する第1の検出部と、前記第1の検出部に対して前記戻り光の光路長が異なり、前記第1のフォーカスエラー信号と異なる第2のフォーカスエラー信号を検出する第2の検出部と、
を有し、
前記演算部は、前記第1及び第2のフォーカスエラー信号を比較することにより、デフォーカス量を算出する
ことを特徴とする請求項2記載の3次元形状測定装置。 - 前記検出部は、非点収差法、臨界角法またはナイフエッジ法に基づきフォーカスエラー信号を検出する
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項記載の3次元形状測定装置。 - 前記対物レンズを用いた顕微鏡観察光学系を更に具備している
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項記載の3次元形状測定装置。 - 上記検出部とは異なる方式により前記試料の3次元形状の測定を行うための第2の光学系を更に有する
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項記載の3次元形状測定装置。 - 前記第2の光学系は、共焦点光学系からなり、前記偏向手段及び前記対物レンズを共有している
ことを特徴とする請求項8記載の3次元形状測定装置。 - 前記演算部が求めた前記試料の3次元形状を、前記顕微鏡観察光学系により得られる観察画像と共に表示手段に表示させる
ことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項記載の3次元形状測定装置。 - 前記検出部及び前記第2の光学系のいずれか一方を光路上に挿入し、他方を抜去するよう切り替え可能に構成されている
ことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項記載の3次元形状測定装置。
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