JP2020153992A - 白色干渉計による形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】白色干渉測定における測定時間を短縮すると共に、測定上の制約を減らして測定を簡略化しつつ、高精度の測定を可能にする。【解決手段】低コヒーレンスの光源１０からの光束を参照光束Ｒと測定光束Ｍに分割して干渉させ、白色干渉計に対して対象物８を相対的に光軸方向に走査して干渉縞を測定し、対象物８の形状を測定する白色干渉計による形状測定装置において、干渉縞の明暗変化の１周期分より小さい走査量に相当する干渉縞の位相シフトによる測定と、１周期分よりも大きな走査量に相当する離散的な振幅測定の組み合わせにより、光軸方向の座標ｚを変数とする振幅変化の曲線を求めて、この曲線から対象物８の形状を測定する際に、前記振幅測定により得られた測定値より、予め特定された対象物８の光軸方向の位置に対する振幅変化に、物理的な根拠に基づく曲線によるフィッティングをかけて、振幅が最大となる光軸方向の座標上の点を、対象物面上の各点において算出し、対象物８の形状を測定する。【選択図】図５

Description

本発明は、白色干渉計による形状測定装置に係り、特に、測定対象物の形状を短時間で簡単に測定することが可能な、白色干渉計による形状測定装置に関する。

干渉計による形状測定は、レーザの波長をものさしとして、測定対象物（以下、単に対象物とも称する）の形状を高精度に測定する技術である。測定対象物にレーザを照射して、その反射光と参照光の干渉によって測定対象物の形状を測定する場合には、波長の半波長以上の段差といった空間的に急激な高さの変化を検出できないという欠点がある。その欠点を克服する方法として、低コヒーレンスの光源を使用した白色干渉計がある。

図１に白色干渉計の光学系の構成例を示す。ここでは、顕微鏡タイプで微小な視野を高分解能で測定するミロー型干渉計の例を挙げる。低コヒーレンスの光源１０からの光を、ビームスプリッタ１２を介し、対物レンズ１４を透過させて測定対象物８に照射する。対物レンズ１４の中では、ビームスプリッタ１６を透過する光と反射する光に分けられ、ビームスプリッタ１６で反射された光束が、参照鏡１８で反射され、再びビームスプリッタ１６で反射されて、撮像部３０のカメラ３２へと向かう光が参照光束Ｒとなる。一方、ビームスプリッタ１６を透過して測定対象物８を照射し反射された光が測定光束Ｍとなり、ビームスプリッタ１６を透過して、参照光束Ｒと重なりカメラ３２へと向かう。

この技術では、対物レンズ１４を光軸（ｚ軸）方向に微動させて、参照光束Ｒと測定光束Ｍの光路長差を変えながら干渉縞画像を測定する。この時の画像上のある一点の強度変化Ｉ(ｘ,ｙ,ｚ)に注目すると、図２に示すように、対物レンズ１４のｚ軸方向の走査に応じて干渉強度周期的に変化しながら、変化の振幅Ａ(ｘ,ｙ,ｚ)そのものも変化する。そして、参照光束Ｒと測定光束Ｍの光路長差がゼロとなるｚ₀の時に振幅Ａ(ｘ,ｙ,ｚ₀)は最大になる。そこで、観測領域内の各々の位置(ｘ,ｙ)において、測定対象物８を走査した際
の干渉縞の振幅が最大になった位置ｚ₀(ｘ,ｙ)を記録することで、測定対象物８の形状を測定することができる。

周期的な強度変化から振幅最大値を決定するために、通常は、光路長差の変化に対して正弦波状で変化する強度情報から、振幅変化の包絡線を算出して、光路長差ゼロのｚ₀(ｘ,ｙ)点を推定する。したがって、強度変化一周期分に相当する光路長差の変化よりも十分に小さい間隔で、対物レンズ１４を相対的に走査し干渉縞を測定しなければ、振幅変化の包絡線を推定することはできない。

また、測定レンジは測定対象物８を移動させる範囲によって決定されるため、その分たくさん画像を取り込む必要がある。

それ故に、従来の白色干渉計を使った形状測定には、測定時間が多くかかるという問題点があった。

このような問題に鑑みて、少ない干渉縞画像枚数により振幅変化の包絡線を推定する方法が特許文献１で提案されている。この技術は、特性関数と称されている推定曲線が、特定の条件で干渉縞を測定することで振幅変化の包絡線と一致させることができることに基づいている。つまり、光源の周波数帯域をフィルタで制限する工程と、その周波数帯域に応じて一定間隔で測定対象物を干渉計に対して相対的に走査して干渉縞を測定する工程を必要とする。これによって、従来よりも少ない画像枚数により短時間で測定することを提案している。

特開２００１−６６１２２号公報

しかしながら、依然として、帯域を制限した光源を使うことと、それに応じて、一定間隔で対象物を走査するという測定操作上の制約が残されていた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、白色干渉測定における測定時間を短縮すると共に、測定上の制約を減らして測定を簡略化しつつ、高精度の測定を可能にすることを課題とする。

本発明は、低コヒーレンスの光源からの光束を参照光束と測定光束に分割して干渉させ、白色干渉計に対して対象物を相対的に光軸方向に走査して干渉縞を測定し、対象物の形状を測定する白色干渉計による形状測定装置において、干渉縞の明暗変化の１周期分より小さい走査量に相当する干渉縞の位相シフトによる測定と、１周期分よりも大きな走査量に相当する離散的な振幅測定の組み合わせにより、光軸方向の座標を変数とする振幅変化の曲線を求めて、この曲線から対象物の形状を測定する際に、前記１周期分よりも大きな走査量に相当する離散的な振幅測定により得られた測定値より、予め特定された対象物の光軸方向の位置に対する振幅変化に、物理的な根拠に基づく曲線によるフィッティングをかけて、振幅が最大となる光軸方向の座標上の点を、対象物面上の各点において算出し、対象物の形状を測定することにより、前記課題を解決するものである。

又、本発明は、低コヒーレンスの光源からの光束を参照光束と測定光束に分割して干渉させ、白色干渉計に対して対象物を相対的に光軸方向に走査して干渉縞を測定し、対象物の形状を測定する白色干渉計による形状測定装置において、干渉縞の明暗変化の１周期分よりも大きな走査量に相当する離散的な振幅測定により、光軸方向の座標を変数とする振幅変化の曲線を求めて、この曲線から対象物の形状を測定する際に、前記低コヒーレンスの光源を特定の偏光成分を有する光源とし、前記参照光束に対して異なる偏光面で測定光束を発生させて、前記参照光束と前記測定光束からなる二つの光束を複数の光束又は領域に分割し、分割した各々の前記参照光束と前記測定光束からなる二つの光束に対して、位相をシフトさせて干渉縞を発生させ、各々の干渉縞を複数の異なるカメラ又は同じカメラの異なる領域で測定すると共に、前記１周期分よりも大きな走査量に相当する離散的な振幅測定により得られた測定値より、予め特定された対象物の光軸方向の位置に対する振幅変化に、物理的な根拠に基づく曲線によるフィッティングをかけて、振幅が最大となる光軸方向の座標上の点を、対象物面上の各点において算出し、対象物の形状を測定することにより、前記課題を解決するものである。

ここで、前記複数の領域を、マイクロポラライザによって区分された、単位セル内の微小領域とすることができる。

本発明は、離散的に取得した少ない干渉縞画像をもとに振幅値を計算し、振幅変化の包絡線を高精度に推定するものである。したがって、少ない測定画像枚数により短時間で測定対象物の形状を測定できる。

又、特許文献１に示されたような、新たに特性関数を導入し、それを算出するために、光源の周波数の帯域を制限することや、それに応じて一定間隔で画像を測定するといった、測定上の制約はない。したがって、従来の手法よりも簡単に実施することができる。

従来例および本発明の第１実施形態で用いる白色干渉計の光学系の構成を示す光路図 同じく干渉強度変化の例を示す図 本発明による処理を説明するための図 本発明の処理手順を示す流れ図 同じく処理手順を説明するための図 本発明の第２実施形態で用いる光学系の構成を示す光路図 本発明の第３実施形態で用いる光学系の要部の構成を示す光路図 本発明の第４実施形態で用いる光学系の要部の構成を示す光路図 本発明の第５実施形態で用いる光学系の要部の構成を示す光路図 同じくマイクロポラライザを示す斜視図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

まず、本発明の第１実施形態を説明する。この第１実施形態で用いる光学系の構成は図１と同じである。

第１実施形態の処理を以下に説明する。

干渉計に対して、測定対象物を光軸方向に相対的に走査した際に得られる干渉縞画像の強度Ｉ(ｘ,ｙ,ｚ)は、図２に示した如く、バイアスＢ(ｘ,ｙ)、振幅Ａ(ｘ,ｙ,ｚ)と位相
φ(ｘ,ｙ)によって次式で表される。

ここで、ｚは光軸方向の座標を表し、ｘ、ｙはｚ軸に対して直交する測定対象物面上の座標を表す。φ(ｘ,ｙ)は干渉縞を発生させる参照光束と測定光束間の位相（差）を表す
。位相φ(ｘ,ｙ)と対物レンズ位置ｚとの関係は、測定対象物面上の各点で光路長差ゼロ
になる位置ｚ₀(ｘ,ｙ)を用いると、光路長差を波長λの２倍で割り算し、その端数部分に２πをかけた値となり、次式で表される。

したがって、干渉縞の位相φ(ｘ,ｙ)に対して、位相をｉ回（ｉ≧３）シフトさせて干
渉縞画像を取得し、演算を行えば、干渉縞強度Ｉ_i(ｘ,ｙ,ｚ)を構成するバイアスＢ(ｘ,
ｙ)と振幅Ａ(ｘ,ｙ,ｚ)と位相φ(ｘ,ｙ)の３つの未知数を算出することができる。

位相シフト量をδ_iとし、得られる干渉縞画像の強度分布を次式で表す。

例えば、ｚ₁の位置において、δ_i＝−α,０,＋α(ｉ＝１，２，３)とする３ステップで位相シフトさせた３枚の位相シフト干渉縞画像を取得する場合、バイアスＢ(ｘ,ｙ)、振
幅Ａ(ｘ,ｙ,ｚ)と位相φ(ｘ,ｙ)は以下の式により計算することができる。

式（６）の計算により、前後αの干渉縞の位相シフト画像により、真ん中（シフト量δ₂＝０）の振幅強度分布を得ることができる。

光路長差に対する干渉縞の振幅変化の曲線は、光源のスペクトル形状に依存した固有のプロファイル形状となる。例えば、光源のスペクトル形状がガウス分布の場合には、光路長差に対する振幅変化の曲線もガウス関数上の曲線になる。たとえ光源のスペクトルが不明な場合でも、予め光路長差に対する振幅値を測定しておくことで、振幅変化の関数を知ることができる。したがって、複数点のｚ座標に対する振幅値から、既知の振幅変化の関数に対してフィッティングをかけて、ｚを変数とする振幅変化の曲線を算出することで、振幅がピークとなる光路長差ゼロのｚ₀の座標を推定することができる。

ｚ₀の座標を少ない測定画像枚数で短時間に行うための例を示す。対物レンズを細かく
走査した場合に図２に示したように強度が変化をする中で、図３に示すようにｚ₁、ｚ₂、…といった具合で、対物レンズを干渉縞の明暗が１周期以上変化するように大きく移動させて、離散的に干渉縞を測定する。このようにして得られたデータから振幅変化の曲線を算出して、ピークとなるｚ₀の位置を決定する際の流れを図４に示す。まず、ステップ１
００で、ｚ₁、ｚ₂、…のそれぞれの位置において、図５（Ａ）に示すように、式（３）から式（６）で示した計算アルゴリズムに準じて、δ_i＝−α,０,＋αに相当する位相シフ
トした干渉縞を取り込む。そして、ステップ１１０で、各々の点で図５（Ｂ）に示すように、式（５）を用いて振幅Ａ₁(ｚ₁)、Ａ₂(ｚ₂)、Ａ₃(ｚ₃)、Ａ₄(ｚ₄)を算出する。そして、ステップ１２０で、干渉縞１周期分の移動量よりも大きな移動間隔で得られた離散的な振幅測定値から、図５（Ｃ）に示すように、光路長差に対する振幅変化の関数にフィッティングをかける。ステップ１３０で、フィッティング曲線から、光路長差がゼロ点となるｚ座標軸上の位置ｚ₀を測定対象物面上のｘｙ座標上の各点で推定する。

これにより、従来の白色干渉計の方式に比べて、少ない画像枚数で広い測定レンジの干渉測定が可能となり、測定時間の短縮化が図れる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。この第２実施形態で用いる光学系の構成を図６に示す。

光源１１として、低コヒーレンスで特定方向の偏光成分を有する光を発する装置を用いる。あるいは、図１の光源１０に偏光フィルタを追加する方法でもかまわない。この実施形態では、対物レンズ１４中のビームスプリッタ１７として、ワイヤグリッド偏光板のような、偏光方向で反射光と透過光に分離する素子を用い、参照光束Ｒと測定光束Ｍを偏光面が互いに直交した形で発生させる。それら二つの光束からなる測定対象物８の形状情報を有する光束をビームスプリッタ１２を介して取り出し、撮像部３０に入射する。撮像部３０では、集束レンズ３３を通過した光を、λ／４板３４を使って左右逆回りの円偏光にした後に、無偏光ビームスプリッタ３６で複数の光束に分割する。

そして、分割したそれぞれの光路上に偏光板３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃを配置して、共通の偏光成分を取り出し干渉縞を発生させる。その際、偏光板の透過軸の方向を、互いに異なる方向に設定することによって、それぞれの光路で得られる干渉縞は位相がシフトした干渉縞となる。これら位相がシフトした複数の干渉縞を、異なる３台のカメラ３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃで同時に取り込む。これにより、カメラの一回のシャッタ時間で、対物レンズ１４の光軸方向の走査位置における振幅や位相を測定することができる。

対物レンズ１４の走査測定間隔は、第１実施形態で示したのと同様に、干渉縞の明暗変化が一周期以上変化するような、大きな走査間隔の離散的な測定で良い。さらに言えば、ｚ座標軸上の各々の点で、前後の位相シフトに相当する微量な走査の画像が不要であるため、第１実施形態に比べて、はるかに短時間での測定が実現できる。離散的な少ない測定データから、予め調べられている振幅変化の曲線にフィッティングをかけることで、光路長差ゼロのｚ₀(ｘ,ｙ)を決定する点は、第１実施形態と同様である。

撮像部３０に関して、図６で示した無偏光ビームスプリッタ３６と偏光板３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃの組み合わせを用いる代わりに、図７で示す第３実施形態のように、偏光ビームスプリッタ面４０Ａと無偏光ビームスプリッタ面４０Ｂを有する偏光プリズムで構成され、入射方向を偏光方向で分割する偏光ビームスプリッタ４０を用いて、光束の分割と偏光板による干渉縞の可視化の二つの役割を一つの素子に担わせることもできる。即ち、この偏光ビームスプリッタ４０を図７に示したように、光軸中心に概略４５°回転させて配置することで、他のカメラ３２Ａ、３２Ｃで得られる干渉縞とは異なる位相の干渉縞をカメラ３２Ｂで得ることができる。偏光ビームスプリッタは、例えば立方体形状のキューブ型や円板形状のプレート型といったものが市販されているが、入射光を偏光方向で分割する機能を有するものであれば、これらに限定されるものではない。機能さえ備わっていればどのような形状でも良く、例えばウォラストンプリズムのような他の偏光プリズムを使用することもできる。

この第３実施形態によれば、第２実施形態の偏光板３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃを省略して光学系の簡素化が図れる。

更に、カメラの数も３台に限定されず、複数の干渉縞画像が同時に得られるならば、図８に要部を模式的に示す第４実施形態のように、１台のカメラ３２の撮像領域を３台分に分割して使用しても良い。

或いは、図９に要部を模式的に示す第５実施形態のように、図１０の如く、カメラの画素サイズに合わせて、偏光板３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃに相当する微小領域が単位セル内に形成された偏光板であるマイクロポラライザ（ポラライザアレイとも称する）３９を用いることで、光束を分割せずに位相シフトした干渉縞を単一のカメラ３２で得るようにしても良い。

なお、前記実施形態においては、いずれも干渉計として、対物レンズ１４内部に参照鏡１８が配置された、ミロー型干渉計が用いられていたが、これに限定されず、参照光と測定光の光軸のなす角を概略９０°で分割して干渉させるトワイマングリーン型干渉計においても同様の測定を実現することができる。

また、振幅算出の例として挙げた、式（５）などで挙げた位相シフトについては、ここで述べた３ステップの位相シフトに限られるものではない。また、シフト量も、−α,０,＋αに限定されるものでなく、振幅の解が得られるシフト量であればいくつであってもかまわず、例えば−α,０,＋β(β≠α)、あるいは、０,＋α,＋β(β＞α)等としてもかまわない。

８…測定対象物
１０、１１…光源
１２、１６、１７…ビームスプリッタ
１４…対物レンズ
１８…参照鏡
３０…撮像部
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ…カメラ
３３…集束レンズ
３４…λ／４板
３６…無偏光ビームスプリッタ
３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ…偏光板
３９…マイクロポラライザ
４０…偏光ビームスプリッタ
４０Ａ…偏光ビームスプリッタ面
４０Ｂ…無偏光ビームスプリッタ面
Ｒ…参照光束
Ｍ…測定光束

Claims (3)

1. 低コヒーレンスの光源からの光束を参照光束と測定光束に分割して干渉させ、白色干渉計に対して対象物を相対的に光軸方向に走査して干渉縞を測定し、対象物の形状を測定する白色干渉計による形状測定装置において、
   干渉縞の明暗変化の１周期分より小さい走査量に相当する干渉縞の位相シフトによる測定と、１周期分よりも大きな走査量に相当する離散的な振幅測定の組み合わせにより、光軸方向の座標を変数とする振幅変化の曲線を求めて、この曲線から対象物の形状を測定する際に、
   前記１周期分よりも大きな走査量に相当する離散的な振幅測定により得られた測定値より、予め特定された対象物の光軸方向の位置に対する振幅変化に、物理的な根拠に基づく曲線によるフィッティングをかけて、振幅が最大となる光軸方向の座標上の点を、対象物面上の各点において算出し、対象物の形状を測定することを特徴とする、白色干渉計による形状測定装置。
2. 低コヒーレンスの光源からの光束を参照光束と測定光束に分割して干渉させ、白色干渉計に対して対象物を相対的に光軸方向に走査して干渉縞を測定し、対象物の形状を測定する白色干渉計による形状測定装置において、
   干渉縞の明暗変化の１周期分よりも大きな走査量に相当する離散的な振幅測定により、光軸方向の座標を変数とする振幅変化の曲線を求めて、この曲線から対象物の形状を測定する際に、
   前記低コヒーレンスの光源を特定の偏光成分を有する光源とし、前記参照光束に対して異なる偏光面で測定光束を発生させて、前記参照光束と前記測定光束からなる二つの光束を複数の光束又は領域に分割し、分割した各々の前記参照光束と前記測定光束からなる二つの光束に対して、位相をシフトさせて干渉縞を発生させ、各々の干渉縞を複数の異なるカメラ又は同じカメラの異なる領域で測定すると共に、
   前記１周期分よりも大きな走査量に相当する離散的な振幅測定により得られた測定値より、予め特定された対象物の光軸方向の位置に対する振幅変化に、物理的な根拠に基づく曲線によるフィッティングをかけて、振幅が最大となる光軸方向の座標上の点を、対象物
   面上の各点において算出し、対象物の形状を測定することを特徴とする、白色干渉計による形状測定装置。
3. 前記複数の領域が、マイクロポラライザによって区分された、単位セル内の微小領域であることを特徴とする、請求項２に記載の白色干渉計による形状測定装置。