JP4909244B2 - 干渉測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、干渉光学系を備える干渉測定装置に関するものである。

干渉光学系を備える干渉測定装置として特許文献１，２に開示されたものが知られている。これらの文献に開示された装置は、光源から出力された光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力し、第１分岐光が第１対象物により反射されて生じる第１反射光と、第２分岐光が第２対象物により反射されて生じる第２反射光とを干渉させて、これにより生じる干渉光の強度を検出部により検出する。

特許文献１に開示された装置は、第１対象物および第２対象物のうち一方が反射ミラーであって他方が薄膜状の被測定物であり、その被測定物の膜厚を測定するものである。そのために、この装置では、光源から第１対象物を経て検出部に到るまでの光路長Ｌ１をステッピングモータにより粗調整し、光源から第２対象物を経て検出部に到るまでの光路長Ｌ２をピエゾアクチュエータにより微調整して、検出部により検出される干渉光強度がピークとなる２つの位置を求め、これら２つの位置から被測定物の膜厚を測定する。

また、特許文献２に開示された装置は、第１対象物および第２対象物のうち一方が反射ミラーであって他方が被測定物であり、その被測定物の表面形状を測定するものである。そのために、この装置では、光路長Ｌ１と光路長Ｌ２との差（光路長差）を複数の目標値に順次に設定し、光路長差が各目標値に設定されているときに生じる干渉パターンを撮像部により撮像して、その撮像した干渉パターンに基づいて被測定物の表面形状を測定する。なお、干渉パターンを撮像部により撮像するために、干渉光学系から出力される干渉光を撮像部の撮像面上に結像する結像光学系が用いられる。
特開２００５−２８３３８７号公報 特開２００１−０６６１２２号公報

上記の特許文献２に開示されたような被測定物の表面形状を測定する干渉測定装置において、表面形状を高精度に測定するには、実際の光路長差「Ｌ１−Ｌ２」を各目標値に高精度で一致させる必要があり、その為には、ピゾアクチュエータを用いて光路長差を調整することが望ましい。また、表面形状測定のダイナミックレンジを大きくするには、光路長差の調整範囲が広いことが望ましい。

しかし、ピゾアクチュエータを用いて光路長差を調整する場合には、ピゾアクチュエータの作動範囲が数μｍでしかなく、光路長差の調整範囲が狭い。したがって、ピゾアクチュエータのみを用いて光路長差を調整する場合には、高精度かつ広ダイナミックレンジで被測定物の表面形状を測定することは困難である。

ところで、表面形状測定のダイナミックレンジを大きくするには、ステッピングモータにより移動が可能なステージの上に対象物，ピエゾアクチュエータおよび結像光学系の一部（例えばレンズ）を載せ、そのステージ上で対象物および結像光学系の一部を一体にしてピエゾアクチュエータにより移動させることが考えられる。この場合、ステージによる移動動作により表面形状測定のダイナミックレンジを広くすることができ、また、ピエゾアクチュエータによる移動動作により表面形状測定の精度を高くすることができる、と期待される。しかし、そのようなピエゾアクチュエータは、対象物および結像光学系の一部を一体にして移動させ、かつ光学系の機械的振動をフィードバック制御することができるほどの応答速度を有していない。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高精度かつ広ダイナミックレンジで被測定物の表面形状を測定することができる干渉測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る干渉測定装置は、(1) 光を出力する光源と、(2) 該光源から出力された光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力し、第１分岐光が第１対象物により反射されて生じる第１反射光を入力するとともに、第２分岐光が第２対象物により反射されて生じる第２反射光を入力して、これら第１反射光と第２反射光とを干渉させて当該干渉光を出力する干渉光学系と、(3)干渉光学系から出力される干渉光を結像する結像光学系と、(4)結像光学系により結像された干渉光の干渉パターンを検出する撮像部と、(5) 光源から第１対象物を経て撮像部に到るまでの光路長と、光源から第２対象物を経て撮像部に到るまでの光路長との、光路長差を検出する光路長差検出手段と、(6)光路長差を調整する光路長差調整手段と、(7)光路長差検出手段による光路長差検出結果に基づいて、光路長差が複数の目標値に順次になるように光路長差調整手段による光路長差調整動作を制御する制御部と、を備える。

また、本発明に係る干渉測定装置において、光路長差調整手段は、第１対象物を移動させる第１移動手段と、第２対象物を移動させる第２移動手段とを含み、第１移動手段または第２移動手段による移動動作により光路長差を調整する。第１移動手段は、第２移動手段の作動範囲より狭い作動範囲を有するとともに、第２移動手段の位置精度より高い位置精度を有する。第２移動手段は、干渉光学系と第２対象物との間の光学系を維持したまま第２対象物を移動させる。そして、制御部は、干渉光学系と第１対象物との間に設けられたレンズのフォーカスを第１対象物の反射面に合わせるとともに、干渉光学系と第２対象物との間に設けられたレンズのフォーカスを第２対象物の反射面に合わせ、光路長差が光源からの出力光のコヒーレンス長以内になるように光路長差調整手段による調整を行った後、複数の目標値それぞれにおいて第１移動手段による移動量が上記作動範囲内の所定範囲内となるように第２移動手段による移動動作を連続的または断続的に行わせ、第２移動手段による移動動作の際にも光路長差検出手段による光路長差検出結果に基づいて光路長差が各目標値になるように第１移動手段による移動動作をフィードバック制御する。なお、第２移動手段は、干渉光学系と第２対象物との間の光学系を維持したまま第２対象物を移動させる際に、干渉光学系から測った第２対象物側のフォーカス面までの距離を維持したままとする。

なお、「光路長差」は、光源から第１対象物を経て撮像部に到るまでの光路長をＬ１とし、光源から第２対象物を経て撮像部に到るまでの光路長をＬ２としたときに、これらの差「Ｌ１−Ｌ２」で表されるものであってもよいし、或る基準値に対する相対的な変化量であってもよい。

好ましくは、本発明に係る干渉測定装置において、制御部は、第２移動手段による移動動作を連続的に行わせる場合には、(a) 光路長差が或る目標値から次の目標値に移行される際に、第１移動手段による移動動作をステップ的に行わせ、(b) 光路長差が或る目標値に設定されている期間には、光路長差が該目標値になるように第１移動手段による移動動作をフィードバック制御する。このとき、更に好ましくは、制御部は、光路長差が或る目標値から次の目標値に移行される前に、その移行後の目標値において第１移動手段による移動量が所定範囲から外れる場合に、該移動量が該所定範囲内に入るように第２移動手段による移動動作の速さを調整する。

また、好ましくは、本発明に係る干渉測定装置において、制御部は、光路長差が或る目標値から次の目標値に移行される際に、第１移動手段による移動動作をステップ的に行わせ、第１移動手段による移動量が作動範囲内の所定範囲から外れる場合に、該移動量が該所定範囲内に入るように第２移動手段による移動動作を断続的に行わせ、この第２移動手段による移動動作の間も光路長差が各目標値になるように第１移動手段による移動動作をフィードバック制御する。

本発明によれば、高精度かつ高ダイナミックレンジで被測定物の表面形状を測定することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る干渉測定装置１の構成図である。この図に示される干渉測定装置１は、被測定物９の表面形状を測定するものであって、光源１１，１２、レンズ２１〜２５、アパーチャ３１、光合波器４１、光分波器４２、ハーフミラー４３、撮像部５１、解析部５２、受光部６１、変位検出部６２、ピエゾアクチュエータ７１、駆動部７２、ミラー７３、ステージ８１、駆動部８２および制御部９０を備える。

光源１１は、コヒーレント長が比較的短い光λ_１を出力するものであり、例えば波長帯域６００ｎｍ〜９００ｎｍの広帯域光を出力することができるタングステンランプである。一方、光源１２は、コヒーレント長が比較的長い光λ_２を出力するものであり、例えば波長１.３１μｍのレーザ光を出力する半導体レーザ光源である。光合波器４１は、光源１１から出力されてレンズ２１およびアパーチャ３１を経て到達した光λ_１を反射させるとともに、光源１２から出力されて到達した光λ_２を透過させて、これらの光を合波してレンズ２２へ出力する。

ハーフミラー４３は、光合波器４１により合波されてレンズ２２を経て到達した光λ_１，λ_２を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、第１分岐光をレンズ２３へ出力し、第２分岐光をレンズ２４へ出力する。また、ハーフミラー４３は、第１分岐光がレンズ２３を経てミラー７３により反射されて生じる第１反射光を再びレンズ２３を経て入力するとともに、第２分岐光がレンズ２４を経て被測定物９により反射されて生じる第２反射光を再びレンズ２４を経て入力して、これら第１反射光と第２反射光とを干渉させて当該干渉光をレンズ２５へ出力する。すなわち、ハーフミラー４３は、干渉光学系を構成する要素である。

光分波器４２は、ハーフミラー４３から出力されてレンズ２５を経た光を入力し、そのうち光λ_１を反射させて撮像部５１へ出力し、光λ_２を透過させて受光部６１へ出力する。レンズ２３〜２５は、ハーフミラー４３から出力されて光分波器４２により分波された干渉光λ_１を撮像部５１の撮像面上に結像する結像光学系を構成する要素である。撮像部５１は、その結像された干渉光λ_１の干渉パターンを撮像するものであり、例えばＣＣＤカメラである。受光部６１は、ハーフミラー４３から出力されて光分波器４２により分波された光λ_２の強度を検出するものであり、例えばフォトダイオードである。

ここで、ハーフミラー４３からミラー７３により反射されて再びハーフミラー４３に到るまでの光路長と、ハーフミラー４３から被測定物９により反射されて再びハーフミラー４３に到るまでの光路長との光路長差をΔＬとする。前述したように、光源１２から出力され受光部６１に到達する光λ_２のコヒーレント長は比較的長いので、図２（ａ）に示されるように、受光部５１に到達する光λ_２の強度は、比較的広い光路長差ΔＬの範囲において周期的に変化する。これに対して、光源１１から出力され撮像部５１に到達する光λ_１のコヒーレント長は比較的短いので、図２（ｂ）に示されるように、撮像部６１に到達する光λ_１の強度は、比較的狭い光路長差ΔＬの範囲において周期的に変化し、しかも、光路長差ΔＬが値０に近いほど干渉の振幅が大きい。

このことを利用して、解析部５２は、光路長差が複数の目標値それぞれに設定されたときに撮像部５１により撮像された光λ_１の干渉パターン像を取得し、それらの複数の干渉パターン像に基づいて、像の各位置において干渉の振幅が最大となる光路長差を求め、これにより被測定物９の表面形状（高さ分布）を求める。

ここで、被測定物９は、好適には例えば図８に示されるように、略平坦な基板９１の主面に薄膜９２が形成され、その薄膜９２の上に半透明な測定対象物９３が置かれたものである。薄膜９２は、光λ_２を高い反射率で反射させることで、後述するフィードバック制御の際の基準面として好適に用いられる。また、測定対象物９３は細胞であるのが好適である。

また、被測定物９の表面形状が波長未満の微小な凹凸を持つ場合には、干渉の振幅が最大となる光路長差付近において、光λ_２の中心波長をλ_２０とおいて、λ_２０／４ずつ４回光路長差をシフトさせると共に干渉パターン像を取得し、それら４つの干渉パターン像に基づいて、像の各位置において干渉波形の位相オフセット値を求めることにより、被測定物９の表面形状（高さ分布）を求めることも可能である。

さらには、干渉の振幅が最大となる光路長差を求める方法と、干渉波形の位相オフセット値を求める方法の両方によって得られた高さ分布を総合することによって、広い高さ範囲の表面形状を、波長未満の精度で得ることもできる。

また、変位検出部６２は、受光部６１により検出された光λ_２の強度の変化から、光路長差（または、或る基準値に対する相対的な光路長差の変化量）を求める。すなわち、光源１２、受光部６１および変位検出部６２は、光路長差を検出する光路長差検出手段を構成する要素である。なお、ピエゾアクチュエータ７１によりミラー７３に微小振動を与えて、或る光路長差を中心にして変調を与えることで、より正確に光路長差を検出することができる。

ピエゾアクチュエータ７１，駆動部７２，ステージ８１および駆動部８２は、光路長差を調整する光路長差調整手段を構成する要素である。ステージ８１は、駆動部８２により駆動された機構８２により、ハーフミラー４３と被測定物９との間の光学系の光軸に平行な方向に被測定物９を移動させる。このとき、レンズ２４を移動させることなく、ハーフミラー４３と被測定物９との間の光学系を維持したままとする。すなわち、ハーフミラー４３から測った被測定物９側のフォーカス面までの距離を維持したままとする。ピエゾアクチュエータ７１は、駆動部７２により駆動されて、ハーフミラー４３とミラー７３との間の光学系の光軸に平行な方向に、ミラー７３を移動させる。このとき、レンズ２３を移動させることなく、ハーフミラー４３とミラー７３との間の光学系を維持したままとする。ピエゾアクチュエータ７１（第１移動手段）の作動範囲は、ステージ８１（第２移動手段）の作動範囲より狭い。また、ピエゾアクチュエータ７１の位置精度は、ステージ８１の位置精度より高い。なお、ステージ８１を移動させるための機構８２としては、例えば長距離移動型のピエゾアクチュエータや、ステッピングモータによる回転機構を用いることが可能である。

制御部９０は、変位検出部６２による光路長差検出結果に基づいて、光路長差が複数の目標値に順次になるように、駆動部７２，８２を介してピエゾアクチュエータ７１およびステージ８１による光路長差調整動作を制御する。特に、制御部９０は、複数の目標値それぞれにおいて、ピエゾアクチュエータ７１による移動量が作動範囲内の所定範囲内となるように、ステージ８１による移動動作を連続的または断続的に行わせる。また、制御部９０は、ステージ８１による移動動作の際にも、変位検出部６２による光路長差検出結果に基づいて、光路長差が各目標値になるようにピエゾアクチュエータ７１による移動動作をフィードバック制御する、

図３は、ピエゾアクチュエータ７１およびステージ８１による光路長差調整動作について説明する図である。この図には、ハーフミラー４３とミラー７３との間の光学系が示され、ハーフミラー４３と被測定物９との間の光学系が示され、また、光路長差を調整するピエゾアクチュエータ７１およびステージ８１が示されている。ここで、ハーフミラー４３とレンズ２３との間の間隔をｘ_１とし、レンズ２３とミラー７３との間の間隔をｘ_２とする。また、ハーフミラー４３とレンズ２４との間の間隔をｙ_１とし、レンズ２４と被測定物９との間の間隔をｙ_２とする。なお、被測定物９が図８に示される構成である場合には、ｙ_２はレンズ２４から被測定物９の薄膜９２までの間隔とする。間隔ｘ_２は、ピエゾアクチュエータ７１による移動動作により調整される。間隔ｙ_２は、ステージ８１による移動動作により調整される。ピエゾアクチュエータ７１またはステージ８１により、間隔（ｘ_１＋ｘ_２）又は間隔（ｙ_１＋ｙ_２）を変更することで、光路長差ΔＬを調整することができる。

仮に、ステージ８１による移動動作により間隔ｙ_２のみを調整する場合、ステージ８１の作動範囲が比較的広いことから、広いダイナミックレンジで光路長差を調整することができる。しかし、この場合、ステージ８１の位置精度が比較的低いことから、高精度で光路長差を調整することができず、したがって、高精度に被測定物９の表面形状を測定することができない。

一方、仮に、ピエゾアクチュエータ７１による移動動作により間隔ｘ_２のみを調整する場合、ピエゾアクチュエータ７１の位置精度が比較的高いことから、高精度で光路長差を調整することができる。しかし、この場合、ピエゾアクチュエータ７１の作動範囲が比較的狭いことから、広いダイナミックレンジで光路長差を調整することができず、したがって、広いダイナミックレンジで被測定物９の表面形状を測定することができない。

また、仮に、ピエゾアクチュエータ７１の作動範囲内であっても広い範囲に亘って移動動作を行わせると、レンズ２３の焦点距離と間隔ｘ_２との差が大きくなる場合があり、その場合には、結像光学系による干渉光の結像面と撮像部５１の撮像面とが互いに大きくずれてしまい、撮像部５１により撮像される干渉パターン像が不鮮明となって、被測定物９の表面形状の測定を高精度に行うことができない。

そこで、本実施形態では、高精度かつ広ダイナミックレンジで被測定物の表面形状を測定する為に、制御部９０は、複数の目標値それぞれにおいて、ピエゾアクチュエータ７１による移動量が作動範囲内の所定範囲内となるように、ステージ８１による移動動作を連続的または断続的に行わせる。また、制御部９０は、ステージ８１による移動動作の際にも、変位検出部６２による光路長差検出結果に基づいて、光路長差が各目標値になるようにピエゾアクチュエータ７１による移動動作をフィードバック制御する、以下では、ピエゾアクチュエータ７１およびステージ８１それぞれの好適な２つの動作態様について説明する。

図４は、本実施形態に係る干渉測定装置１の第１動作態様を説明するフローチャートである。また、図５は、この第１動作態様における間隔ｘ_２，間隔ｙ_２および光路長差｛(ｙ_１＋ｙ_２)−(ｘ_１＋ｘ_２)｝それぞれの時間的変化を示す図である。この第１動作態様では、制御部９０は、駆動部８２を介して、ステージ８１による移動動作を連続的に行わせる。

初めに、ステップＳ１１では、制御部９０は、駆動部８２を介してステージ８１による移動動作を開始させる。光路長差を或る目標値から次の目標値に一定時間間隔Δｔで移行させるとし、その移行の際の間隔ｙ_２の変化量をΔｙとしたときに、ステージ８１の移動速度は「Δｙ／Δｔ」に設定される。これにより、レンズ２４と被測定物９との間の間隔ｙ_２は、時間の経過とともに略リニアに変化していく。しかし、ステージ８１の位置精度が比較的低いことから、間隔ｙ_２の時間的変動は比較的大きい。

そこで、ステップＳ１２では、制御部９０は、光路長差が該目標値になるように、駆動部７２を介してピエゾアクチュエータ７１による移動動作をフィードバック制御する。このとき、ピエゾアクチュエータ７１により間隔ｘ_２が調整されて、光路長差｛(ｙ_１＋ｙ_２)−(ｘ_１＋ｘ_２)｝が高精度に設定される。

ステップＳ１３では、制御部９０は、光路長差が或る目標値に設定されてから一定時間Δｔが経過したか否かを判断し、一定時間Δｔが経過したら次のステップＳ１４の処理に進む。ステップＳ１４では、制御部９０は、次の目標値が有るか否かを判断し、次の目標値が有れば次のステップＳ１５の処理に進み、次の目標値が無ければステップＳ１８の処理に進む。

ステップＳ１５では、制御部９０は、光路長差が次の目標値に移行される前に、その移行後の目標値においてピエゾアクチュエータ７１による移動量ｘ_２が所定範囲から外れるか否かを判断する。そして、制御部９０は、その移動量ｘ_２が所定範囲から外れると判断した場合にはステップＳ１６を経てステップＳ１７の処理に進み、また、その移動量ｘ_２が所定範囲内にあると判断した場合には直ちにステップＳ１７の処理に進む。ステップＳ１６では、制御部９０は、次の目標値に移行した後にピエゾアクチュエータ７１による移動量ｘ_２が所定範囲内に入るようにステージ８１による移動動作の速さを調整する。

ステップＳ１７では、制御部９０は、光路長差を次の目標値に設定し、駆動部７２を介してピエゾアクチュエータ７１をΔｘだけステップ的に移動させる。その後、ステップＳ１２の処理に戻って、制御部９０は、光路長差が新たな目標値になるように、駆動部７２を介してピエゾアクチュエータ７１による移動動作をフィードバック制御する。ステップＳ１８では、制御部９０は、駆動部８２を介してステージ８１による移動動作を終了させる。

このように第１動作態様では、制御部９０は、ステージ８１による移動動作を連続的に行わせ、光路長差が或る目標値から次の目標値に移行される際に、ピエゾアクチュエータ７１による移動動作をステップ的に行わせ、また、光路長差が或る目標値に設定されている期間には、光路長差が該目標値になるようにピエゾアクチュエータ７１による移動動作をフィードバック制御する。このように制御部９０がピエゾアクチュエータ７１およびステージ８１それぞれの移動動作を制御することにより、ステージ８１の移動動作の広いダイナミックレンジと、ピエゾアクチュエータ７１の移動動作の高い位置精度とを、共に活かすことができて、高精度かつ広ダイナミックレンジで被測定物９の表面形状を測定することができる。

また、第１動作態様では、制御部９０は、光路長差が或る目標値から次の目標値に移行される前に、その移行後の目標値においてピエゾアクチュエータ７１による移動量が所定範囲から外れる場合に、該移動量が該所定範囲内に入るようにステージ８１による移動動作の速さを調整する（ステップＳ１５，Ｓ１６）。このように制御部９０がステージ８１の移動速度を調整することにより、ステージ８１の移動速度や目標値変更の時間間隔Δｔの精度が不充分である場合であっても、ピエゾアクチュエータ７１による移動量を所定範囲内に維持することができるので、被測定物９の表面形状の高精度測定を維持することができる。なお、光路長差の目標値の個数をＮとしたときに、Ｎ・Δｔの時間内にステージ８１を速度「Δｙ／Δｔ」で等速移動させたときの移動距離が充分な精度（例えば誤差が±１μｍ以下）であれば、ステップＳ１５，１６は不要であり、ステップＳ１４の後に直ちにステップＳ１７の処理に進めばよい。

図６は、本実施形態に係る干渉測定装置１の第２動作態様を説明するフローチャートである。また、図７は、この第２動作態様における間隔ｘ_２，間隔ｙ_２および光路長差｛(ｙ_１＋ｙ_２)−(ｘ_１＋ｘ_２)｝それぞれの時間的変化を示す図である。この第２動作態様では、制御部９０は、駆動部８２を介して、ステージ８１による移動動作を断続的に行わせる。

ステップＳ２１では、制御部９０は、光路長差が目標値になるように、駆動部７２を介してピエゾアクチュエータ７１による移動動作をフィードバック制御する。このとき、ステージ８１は移動していないが、ステージ８１の位置精度が比較的低いことから、間隔ｙ_２の時間的変動は比較的大きい。しかし、ピエゾアクチュエータ７１により間隔ｘ_２が調整されて、光路長差｛(ｙ_１＋ｙ_２)−(ｘ_１＋ｘ_２)｝が高精度に設定される。

ステップＳ２２では、制御部９０は、光路長差が或る目標値に設定されてから一定時間Δｔが経過したか否かを判断し、一定時間Δｔが経過したら次のステップＳ２３の処理に進む。ステップＳ２３では、制御部９０は、次の目標値が有るか否かを判断し、次の目標値が有れば次のステップＳ２４の処理に進み、次の目標値が無ければ終了する。

ステップＳ２４では、制御部９０は、光路長差が次の目標値に移行される前に、その移行後の目標値においてピエゾアクチュエータ７１による移動量ｘ_２が所定範囲から外れるか否かを判断する。そして、制御部９０は、その移動量ｘ_２が所定範囲から外れると判断した場合にはステップＳ２５を経てステップＳ２６の処理に進み、また、その移動量ｘ_２が所定範囲内にあると判断した場合には直ちにステップＳ２６の処理に進む。

ステップＳ２５では、制御部９０は、次の目標値に移行した後にピエゾアクチュエータ７１による移動量ｘ_２が所定範囲内に入るようにステージ８１を移動させた後に停止させ、また、そのステージ８１が移動している期間にも、そのときの光路長差が各目標値になるようにピエゾアクチュエータ７１による移動動作を制御する。なお、このときのステージ８１の移動に際しては、次の目標値においてピエゾアクチュエータ７１による移動量ｘ_２が所定範囲の上限を超える場合には、ピエゾアクチュエータ７１による移動量ｘ_２が所定範囲の下限の近くになるようにする。逆に、次の目標値においてピエゾアクチュエータ７１による移動量ｘ_２が所定範囲の下限を超える場合には、ピエゾアクチュエータ７１による移動量ｘ_２が所定範囲の上限の近くになるようにする。

ステップＳ２６では、制御部９０は、光路長差を次の目標値に設定し、駆動部７２を介してピエゾアクチュエータ７１をΔｘだけステップ的に移動させる。その後、ステップＳ２１の処理に戻って、制御部９０は、光路長差が新たな目標値になるように、駆動部７２を介してピエゾアクチュエータ７１による移動動作をフィードバック制御する。

このように第２動作態様では、制御部９０は、光路長差が各目標値になるようにピエゾアクチュエータ７１による移動動作をフィードバック制御する。このように制御部９０がピエゾアクチュエータ７１およびステージ８１それぞれの移動動作を制御することにより、ステージ８１の移動動作の広いダイナミックレンジと、ピエゾアクチュエータ７１の移動動作の高い位置精度とを、共に活かすことができて、高精度かつ広ダイナミックレンジで被測定物９の表面形状を測定することができる。なお、ステージ８１の位置精度が悪い場合には、第１動作態様より第２動作態様の方が有効である、

次に、干渉測定装置１の第２動作態様の具体的な実施例について説明する。本実施例では、光源１２として、出力波長λ_２が１３３０ｎｍであるＳＬＤ光源を用いた。ピエゾアクチュエータ７１として、ＮＥＣ／ＴＯＫＩＮ社製のＡＥ０５０５Ｄ０８を用いた。ステージ８１として、ＰＩ社製のＰ−６１１.ＺＳを用いた。撮像部５１として、浜松ホトニクス社製のＣ４８８０−０７を用いた。光路長差｛(ｙ_１＋ｙ_２)−(ｘ_１＋ｘ_２)｝の各ステップ間の変更幅をλ_１／８（＝約１００ｎｍ）とした。半透明な測定対象物９３として、培養細胞ＭＣＦ７を用いた。基板９１として、スライドガラスを用いた。

最初に、レンズ２３のフォーカスをミラー７３の反射面に合わせるとともに、レンズ２４のフォーカスを基板９１の表面に合わせ、かつ、光路長差ΔＬ（＝(ｙ_１＋ｙ_２)−(ｘ_１＋ｘ_２)）が光源１１のコヒーレンス長（約２μｍ）以内になるようにして、計測を開始した。光路長差ΔＬが増加するように、ミラー７３または被測定物９を移動させた。

図９は、本実施例における最初期の連続する４枚の干渉像を示す図である。フォーカス位置および光路長差ゼロの位置が共に基板９１の表面にあるので、基板９１の表面からの反射光による干渉像が捉えられている。

図１０は、本実施例においてステップ状の光路長差の移動を３６回（約３６００ｎｍ）繰り返した後の３６回目から３９回目までの連続する４枚の干渉像を示す図である。図９に対して、光路長差が３６００ｎｍシフトすると同時に、レンズ２４のフォーカスもまた３６００ｎｍシフトしているので、基板９１の表面より３６００ｎｍ上方の細胞９３の表面からの反射光による干渉像がコントラスト良く捉えられている。また、光路長差に関しては、ナノメートルオーダーの精度でフィードバック制御されているので、４回の光路長差の移動は正確に等間隔で行われた。

図１１は、本実施例において３６回目から３９回目までの連続する４枚の干渉像からλ／４位相シフト法のアルゴリズムにより表面形状を位相値として計算したものを示す図である。細胞９３の表面形状が等高線としてイメージングされている。

図１２は、本実施例において撮像された連続するλ／４ずつ位相シフトした４０枚の干渉像からλ／４位相シフト法のアルゴリズムにより部分的な細胞表面形状を求め、それら部分的な細胞表面形状を繋ぎ合わせて作成した細胞全体の表面形状を示す図である。細胞９３の全体の表面形状をイメージングすることができている。

本実施形態に係る干渉測定装置１の構成図である。 撮像部５１または受光部５１に到達する光の強度と光路長差との関係を示す図である。 ピエゾアクチュエータ７１およびステージ８１による光路長差調整動作について説明する図である。 本実施形態に係る干渉測定装置１の第１動作態様を説明するフローチャートである。 本実施形態に係る干渉測定装置１の第１動作態様における間隔ｘ_２，間隔ｙ_２および光路長差｛(ｙ_１＋ｙ_２)−(ｘ_１＋ｘ_２)｝それぞれの時間的変化を示す図である。 本実施形態に係る干渉測定装置１の第２動作態様を説明するフローチャートである。 本実施形態に係る干渉測定装置１の第２動作態様における間隔ｘ_２，間隔ｙ_２および光路長差｛(ｙ_１＋ｙ_２)−(ｘ_１＋ｘ_２)｝それぞれの時間的変化を示す図である。 被測定物９の一構成例を示す図である。 本実施例における最初期の連続する４枚の干渉像を示す図である。 本実施例においてステップ状の光路長差の移動を３６回（約３６００ｎｍ）繰り返した後の３６回目から３９回目までの連続する４枚の干渉像を示す図である。 本実施例において３６回目から３９回目までの連続する４枚の干渉像からλ／４位相シフト法のアルゴリズムにより表面形状を位相値として計算したものを示す図である。 本実施例において撮像された連続するλ／４ずつ位相シフトした４０枚の干渉像からλ／４位相シフト法のアルゴリズムにより部分的な細胞表面形状を求め、それら部分的な細胞表面形状を繋ぎ合わせて作成した細胞全体の表面形状を示す図である。

符号の説明

１…干渉測定装置、９…被測定物、１１，１２…光源、２１〜２５…レンズ、３１…アパーチャ、４１…光合波器、４２…光分波器、４３…ハーフミラー、５１…撮像部、５２…解析部、６１…受光部、６２…変位検出部、７１…ピエゾアクチュエータ、７２…駆動部、７３…ミラー、８１…ステージ、８２…駆動部、９０…制御部。

Claims (4)

1. 光を出力する光源と、
   該光源から出力された光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力し、前記第１分岐光が第１対象物により反射されて生じる第１反射光を入力するとともに、前記第２分岐光が第２対象物により反射されて生じる第２反射光を入力して、これら第１反射光と第２反射光とを干渉させて当該干渉光を出力する干渉光学系と、
   前記干渉光学系から出力される干渉光を結像する結像光学系と、
   前記結像光学系により結像された干渉光の干渉パターンを撮像する撮像部と、
   前記光源から前記第１対象物を経て前記撮像部に到るまでの光路長と、前記光源から前記第２対象物を経て前記撮像部に到るまでの光路長との、光路長差を検出する光路長差検出手段と、
   前記光路長差を調整する光路長差調整手段と、
   前記光路長差検出手段による光路長差検出結果に基づいて、前記光路長差が複数の目標値に順次になるように前記光路長差調整手段による光路長差調整動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記光路長差調整手段は、前記第１対象物を移動させる第１移動手段と、前記第２対象物を移動させる第２移動手段とを含み、前記第１移動手段または前記第２移動手段による移動動作により前記光路長差を調整し、
   前記第１移動手段は、前記第２移動手段の作動範囲より狭い作動範囲を有するとともに、前記第２移動手段の位置精度より高い位置精度を有し、
   前記第２移動手段は、前記干渉光学系と前記第２対象物との間の光学系を維持したまま前記第２対象物を移動させ、
   前記制御部は、
   前記干渉光学系と前記第１対象物との間に設けられたレンズのフォーカスを前記第１対象物の反射面に合わせるとともに、前記干渉光学系と前記第２対象物との間に設けられたレンズのフォーカスを前記第２対象物の反射面に合わせ、前記光路長差が前記光源からの出力光のコヒーレンス長以内になるように前記光路長差調整手段による調整を行った後、
   前記複数の目標値それぞれにおいて前記第１移動手段による移動量が前記作動範囲内の所定範囲内となるように前記第２移動手段による移動動作を連続的または断続的に行わせ、前記第２移動手段による移動動作の際にも前記光路長差検出手段による光路長差検出結果に基づいて前記光路長差が各目標値になるように前記第１移動手段による移動動作をフィードバック制御する、
   ことを特徴とする干渉測定装置。
   
2. 前記制御部は、
   前記第２移動手段による移動動作を連続的に行わせ、
   前記光路長差が或る目標値から次の目標値に移行される際に、前記第１移動手段による移動動作をステップ的に行わせ、
   前記光路長差が或る目標値に設定されている期間には、前記光路長差が該目標値になるように前記第１移動手段による移動動作をフィードバック制御する、
   ことを特徴とする請求項１記載の干渉測定装置。
3. 前記制御部は、前記光路長差が或る目標値から次の目標値に移行される前に、その移行後の目標値において前記第１移動手段による移動量が前記所定範囲から外れる場合に、該移動量が該所定範囲内に入るように前記第２移動手段による移動動作の速さを調整する、ことを特徴とする請求項２記載の干渉測定装置。
4. 前記制御部は、
   前記光路長差が或る目標値から次の目標値に移行される際に、前記第１移動手段による移動動作をステップ的に行わせ、
   前記第１移動手段による移動量が前記作動範囲内の所定範囲から外れる場合に、該移動量が該所定範囲内に入るように前記第２移動手段による移動動作を断続的に行わせ、
   この第２移動手段による移動動作の間も前記光路長差が各目標値になるように前記第１移動手段による移動動作をフィードバック制御する、
   ことを特徴とする請求項１記載の干渉測定装置。