JP6331985B2 - 形状測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は形状測定装置及び方法に係り、特に光を用いて物体の表面の形状を非接触で測定する形状測定装置及び方法に関する。

光で物体の表面を走査して、その形状を非接触で測定する形状測定装置において、光の走査方向の分解能を高めるためには、物体に照射する光の直径（スポット径）を小さく保つ必要がある。このためには、一般的に高い開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）の対物レンズを備えた光学系を用いる必要がある。しかし、高い開口数の対物レンズを備えた光学系を用いると、焦点深度が小さくなり、光軸方向の測長可能範囲が狭くなるという問題があった。そこで、従来は、焦点検出機構を装置に別途組み込み、焦点調節を行いながら測定することが行われている（たとえば、特許文献１、２等）。

特許第２９７３６３７号公報 実用新案登録第２５６４７９９号公報

しかしながら、焦点検出機構を装置に別途組み込むと、装置構成が複雑かつ大型化するという欠点がある。また、焦点検出処理の時間が必要になるため、測定時間が増大するという欠点もある。さらに、焦点検出の方式によっては、測定用の光を分岐する必要があり、感度が低下するという欠点もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、簡素な構成で高精度な測定を短時間で実施できる形状測定装置及び方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段は、次のとおりである。

［１］波長掃引光源と、波長掃引光源からの光を測定光と参照光とに分岐する分岐部と、参照光を一定位置で反射する参照面と、測定光の焦点位置を調節する焦点調節部と、測定光を走査させて測定点を変更させる走査部と、走査部を制御する走査制御部と、測定対象面で反射した測定光と、参照面で反射した参照光とを干渉させた干渉光の強度を検出する検出部と、検出部で検出される干渉光の強度に基づいて、測定光と参照光との光路長差を算出し、算出した光路長差を測長値として出力する測長部と、測定点ごとに出力される測長値を記録する記録部と、測定点ごとに出力される測長値に基づいて、次の測定点で測定する際に設定する測定光の焦点位置を決定する焦点位置決定部と、焦点調節部を制御して、焦点位置決定部で決定された焦点位置に測定光の焦点位置を設定する焦点位置制御部と、を備えた形状測定装置。

本態様によれば、測定点が切り替わるたびに測定光の焦点調節が行われる。この際、過去の測定結果を利用して、次の測定点での焦点調節が行われる。これにより、別途焦点検出機構を用いることなく、焦点合わせを行うことができる。また、測定は、波長掃引光源を用いた干渉計測によって行われるため、短時間で行うことができる。

［２］焦点位置決定部は、直前の測定点での測長値に基づいて、次の測定点で測定する際に設定する測定光の焦点位置を決定する、上記［１］の形状測定装置。

本態様によれば、直前の測定点での測長値に基づいて、次の測定点での測定光の焦点位置が決定される。この場合、次の測定点での測定光の焦点位置は、直前の測定点での測定対象面の位置に設定される。これにより、簡単に焦点合わせを行うことができる。

［３］焦点位置決定部は、直前の測定点までに取得された測定点ごとの測長値に基づいて、次の測定点での測定対象面の位置を推定し、推定した位置に基づいて、次の測定点で測定する際に設定する測定光の焦点位置を決定する、上記［１］の形状測定装置。

本態様によれば、直前の測定点までの測定結果から次の測定点での測定対象面の位置が推定される。そして、推定された位置に次の測定点での測定光の焦点位置が設定される。これにより、測定対象面が曲面である場合であっても、適切に焦点合わせを行うことができる。

［４］焦点位置決定部は、直前の測定点までに取得された測定点ごとの測長値に基づいて、線形予測法により次の測定点での測定対象面の位置を推定する、上記［３］の形状測定装置。

本態様によれば、線形予測法により次の測定点での測定対象面の位置が推定される。これにより、簡単に次の測定点での測定対象面の位置を推定できる。

［５］焦点位置決定部は、直前の測定点までの測定点ごとの測長値に基づいて、多項式回帰分析により次の測定点での測定対象面の位置を推定する、上記［３］の形状測定装置。

本態様によれば、多項式回帰分析により次の測定点での測定対象面の位置が推定される。これにより、より正確に次の測定点での測定対象面の位置を推定できる。

［６］測定対象物が測定光を透過する場合において、走査制御部は、走査部を制御して、測定光を２回走査させ、焦点位置決定部は、１回目の走査時は、測定点ごとに出力される第１の測定対象面の測長値に基づいて、次の測定点で測定する際に設定する測定光の焦点位置を決定し、２回目の走査時は、測定点ごとに出力される第２の測定対象面の測長値に基づいて、次の測定点で測定する際に設定する測定光の焦点位置を決定し、記録部は、１回目の走査によって測定点ごとに出力される測長値を第１の測定対象面の測長値として記録し、かつ、２回目の走査によって測定点ごとに出力される測長値を第２の測定対象面の測長値として記録する、上記［１］から［５］のいずれかの形状測定装置。

本態様によれば、測定対象物が測定光を透過する場合（たとえば、測定対象物が透明な場合）、表面及び裏面の形状を測定できる。すなわち、測定対象物が測定光を透過する場合、測定対象物の表面の位置だけでなく裏面の位置も検出できるので、この性質を利用して、測定対象物の表面及び裏面の形状を測定する。ただし、測定光の焦点位置が、測定対象とする面からずれていると、高感度な測定ができなくなることから、２回に分けて測定を実施し、それぞれの面で高感度な測定ができるようにしている。すなわち、１回目の走査では、第１の測定対象面（たとえば、表面）に焦点位置が合うように焦点調節を行って測定し、２回目の走査では、第２の測定対象面（たとえば、裏面）に焦点位置が合うように焦点調節を行って測定している。これにより、表面及び裏面を精度よく測定できる。

［７］波長掃引光源からの光を測定光と参照光とに分岐し、測定光で測定対象面を走査し、測定対象面で反射した測定光と、参照面で反射した参照光との干渉光の強度を検出し、検出した干渉光の強度に基づいて、測定光と参照光との光路長差を算出し、算出した光路長差を各測定点の測長値として取得する形状測定方法において、測定点ごとに取得される測長値に基づいて、次の測定点で測定する際に設定する測定光の焦点位置を決定し、決定した焦点位置に測定光の焦点位置を移動させた後、次の測定点での測定を実施する形状測定方法。

本態様によれば、測定点が切り替わるたびに測定光の焦点調節が行われる。この際、過去の測定結果を利用して、次の測定点での焦点調節が行われる。これにより、別途焦点検出機構を用いることなく、焦点合わせを行うことができる。また、測定は、波長掃引光源を用いた干渉計測によって行われるため、短時間で行うことができる。

［８］直前の測定点での測長値に基づいて、次の測定点で測定する際に設定する測定光の焦点位置を決定する、上記［７］の形状測定方法。

本態様によれば、直前の測定点での測長値に基づいて、次の測定点での測定光の焦点位置が決定される。この場合、次の測定点での測定光の焦点位置は、直前の測定点での測定対象面の位置に設定される。これにより、簡単に焦点合わせを行うことができる。

［９］直前の測定点までに取得された測定点ごとの測長値に基づいて、次の測定点での測定対象面の位置を推定し、推定した位置に基づいて、次の測定点で測定する際に設定する測定光の焦点位置を決定する、上記［７］の形状測定方法。

本態様によれば、直前の測定点までの測定結果から次の測定点での測定対象面の位置が推定される。そして、推定された位置に次の測定点での測定光の焦点位置が設定される。これにより、測定対象面が曲面である場合であっても、適切に焦点合わせを行うことができる。

［１０］直前の測定点までに取得された測定点ごとの測長値に基づいて、線形予測法により次の測定点での測定対象面の位置を推定する、上記［９］の形状測定方法。

本態様によれば、線形予測法により次の測定点での測定対象面の位置が推定される。これにより、簡単に次の測定点での測定対象面の位置を推定できる。

［１１］直前の測定点までの測定点ごとの測長値に基づいて、多項式回帰分析により次の測定点での測定対象面の位置を推定する、上記［９］の形状測定方法。

本態様によれば、多項式回帰分析により次の測定点での測定対象面の位置が推定される。これにより、より正確に次の測定点での測定対象面の位置を推定できる。

［１２］測定対象物が測定光を透過する場合において、測定光を２回走査させ、１回目の走査時は、測定点ごとに出力される第１の測定対象面の測長値に基づいて、次の測定点で測定する際に設定する測定光の焦点位置を決定し、２回目の走査時は、測定点ごとに出力される第２の測定対象面の測長値に基づいて、次の測定点で測定する際に設定する測定光の焦点位置を決定する、上記［７］から［１１］のいずれかの形状測定方法。

本態様によれば、測定対象物が測定光を透過する場合、測定対象物を２回走査して、測定対象物の第１の測定対象面（たとえば、表面）及び第２の測定対象面（たとえば、裏面）の形状を測定する。この際、１回目の走査では、第１の測定対象面（たとえば、表面）に焦点位置が合うように焦点調節を行って測定し、２回目の走査では、第２の測定対象面（たとえば、裏面）に焦点位置が合うように焦点調節を行って測定している。これにより、表面及び裏面を精度よく測定できる。

本発明によれば、簡素な構成で高精度な測定を短時間で実施できる。

形状測定装置の全体構成図 波長掃引光源を用いた干渉計測の測長の説明図 焦点調節の第１の方法の概念図 焦点調節を含めた測定の手順を示すフローチャート 焦点調節の第２の方法の概念図 透明物体を測定する場合の測定の概念図 透明物体を測定する場合の測定の手順を示すフローチャート 焦点調節を行いながら測定した場合の測定結果を示すグラフ（同図（Ａ））、及び、焦点調節を行わすに測定した場合の測定結果を示すグラフ（同図（Ｂ））測定結果を示すグラフ

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について説明する。

［構成］
図１は、本発明に係る形状測定装置の一実施形態を示す全体構成図である。

同図に示すように、本実施の形態の形状測定装置１０は、波長掃引光源１２と、ファイバーカプラ１４と、コーナーキューブプリズム１６と、焦点調節部１８と、走査部２０と、検出部２２と、測長部２４と、制御部２６と、記録部２８と、焦点位置決定部３０と、表示部３２と、操作部３４と、を備えて構成され、ステージ４０の上に載置された測定対象物Ｏの表面（測定対象面）Ｔの形状を非接触で測定する。

波長掃引光源１２は、波長（周波数）を一定の周期で掃引させながら光を出力する。波長掃引光源１２から出力された光は、第１の光ファイバーＦ１を経由してファイバーカプラ１４に導かれる。

ファイバーカプラ１４は、分岐部として機能し、波長掃引光源１２からの光を測定光と参照光とに分岐する。また、後述するように、ファイバーカプラ１４は、干渉部として機能し、コーナーキューブプリズム１６で反射した参照光と、測定対象物Ｏの測定対象面Ｔで反射した測定光とを合成して干渉光を生成する。ファイバーカプラ１４には、第１の光ファイバーＦ１と、第２の光ファイバーＦ２と、第３の光ファイバーＦ３と、第４の光ファイバーＦ４とが接続される。

参照光は、第２の光ファイバーＦ２に導かれて、そのファイバー端から出射する。第２の光ファイバーＦ２から出射した参照光は、第１のコリメーターＣ１で平行光束とされ、コーナーキューブプリズム１６に照射される。

コーナーキューブプリズム１６は、参照面を構成し、第１のコリメーターＣ１から出射された参照光を一定位置で反射する。コーナーキューブプリズム１６で反射した参照光は、第１のコリメーターＣ１を介して第２の光ファイバーＦ２に入射し、第２の光ファイバーＦ２を経由してファイバーカプラ１４に導かれる。

測定光は、第３の光ファイバーＦ３に導かれて、そのファイバー端から出射する。第３の光ファイバーＦ３から出射した測定光は、第２のコリメーターＣ２で平行光束とされ、焦点調節部１８及び走査部２０を経由して、測定対象物Ｏの測定対象面Ｔに照射される。

焦点調節部１８は、測定光の焦点位置（測定光が焦点を結ぶ位置）を調節する。焦点調節部１８は、焦点調節を行うための焦点調節レンズ１８Ａと、その焦点調節レンズ１８Ａを駆動するレンズドライバー１８Ｂと、を備えて構成される。

焦点調節レンズ１８Ａは、第３の光ファイバーＦ３から出射する測定光の光路上に配置される。焦点調節レンズ１８Ａは、たとえば、液体又はポリマーを用いた可変焦点レンズや、電気光学結晶を用いた可変焦点レンズのように、光軸に沿って移動する部品を持たずに、その焦点位置の調節が可能なレンズで構成される。この種の可変焦点レンズでは、電圧を印可すると、印加された電圧に応じて焦点位置を変化させる。

レンズドライバー１８Ｂは、焦点調節レンズ１８Ａを駆動するための回路であり、制御部２６からの指示に従って焦点調節レンズ１８Ａを駆動する。

走査部２０は、測定光を走査させて測定点を変更させる。走査部２０は、走査鏡２０Ａと、走査鏡２０Ａを駆動するアクチュエーター２０Ｂと、を備えて構成される。

走査鏡２０Ａは、焦点調節部１８から出射する測定光の光路上に配置され、図１において、矢印Ａ−Ａで示す方向に揺動自在に支持される。走査鏡２０Ａは、揺動することにより測定光の向きを変更する。これにより、測定光を走査でき、測定点（測定光の照射ポイント）を変更できる。

なお、焦点調節部１８から出射する測定光の進行方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向と直交する方向をＹ軸方向とすると、走査鏡２０Ａは、Ｙ軸と平行な軸の周りを揺動自在に支持される。したがって、走査鏡２０Ａが揺動すると、測定光はＸ軸に沿って走査される。ステージ４０の載置面は、Ｘ軸及びＹ軸によって既定される平面（Ｘ−Ｙ平面）と平行に設定される。この平面は水平面とされ、この水平面と直交する方向をＺ軸方向とする。

アクチュエーター２０Ｂは、制御部２６からの指示に従って走査鏡２０Ａを揺動させる。

測定対象面Ｔに照射された測定光は、測定対象面Ｔで反射し、その反射光は、走査部２０及び焦点調節部１８を介して第２のコリメーターＣ２に入射する。そして、第２のコリメーターＣ２から第３の光ファイバーＦ３を経由してファイバーカプラ１４に導かれる。

ファイバーカプラ１４は、測定対象面Ｔで反射した測定光と、コーナーキューブプリズム１６で反射した参照光とを合成して、干渉光を生成する。この干渉光は、第４の光ファイバーＦ４に導かれて検出部２２に入射される。

検出部２２は、光検出器であるフォトディテクタを有し、第４の光ファイバーＦ４によって導かれた干渉光の強度を検出する。そして、その検出結果（検出信号）を測長部２４に出力する。

測長部２４は、検出部２２で検出される干渉光の強度に基づいて、測定光と参照光との光路長差を算出し、算出した光路長差を測長値として出力する。具体的には、図２に示すように、検出部２２からの検出信号をフーリエ変換し、光路長差に応じた信号強度分布を求め、信号強度がピークとなる位置を検出して、測定光と参照光との光路長差を求める。この光路長差は、参照面と測定対象面との光学的な距離差を表わす。

ここで、Ｘ−Ｙ平面（ステージ４０の載置面）と平行な面であって、参照面と光学的に共役な面を基準面として定義すると、各測定点での測長値は、基準面から測定点までの垂線の長さ（Ｚ軸方向の距離）として定義できる。この場合、各測定点における測長値は、基準面を基準とした各測定点での測定対象面の高さ、あるいは、Ｚ軸方向の位置として捉えることができる。

制御部２６は、形状測定装置１０の全体の動作を制御する。具体的には、波長掃引光源１２の駆動制御（光源制御部としての機能）や、焦点調節部１８の駆動制御（焦点位置制御部としての機能）、走査部２０の駆動制御（走査制御部としての機能）、検出部２２の駆動制御（検出制御部としての機能）等を実施する。また、記録部２８に対する測定データの記録制御（記録制御部としての機能）や、表示部３２に対する表示制御（表示制御部としての機能）等を実施する。

記録部２８は、走査によって得られる各測定点での測定データ（測長値）を記録する。記録部２８は、たとえば、ハードディスク装置などの記憶装置が用いられる。

焦点位置決定部３０は、走査によって得られた各測定点の測定データを取得して、次の測定点で測定する際に設定する測定光の焦点位置を決定する。制御部２６は、走査によって得られる各測定点の測定データを焦点位置決定部３０に順次加える。焦点位置決定部３０は、得られた測定データに基づいて、次の測定点での測定光の焦点位置を決定する。そして、決定した焦点位置を制御部２６に出力する。制御部２６は、焦点位置決定部３０から得られた焦点位置の情報に基づいて、焦点調節部１８を制御し、測定光の焦点調整を行う。なお、この焦点位置の決定方法については、後に詳述する。

表示部３２は、ディスプレイを備え、ディスプレイに測定結果等の各種情報を表示する。

操作部３４は、キーボード、マウス等の各種操作デバイスを備え、オペレータから各種操作情報の入力を受け付ける。

形状測定装置１０は、以上のように構成される。なお、測長部２４、制御部２６、及び、焦点位置決定部３０については、コンピューターで構成され、所定の測長プログラム、制御プログラム、焦点位置決定プログラム等を実行することにより、測長部２４、制御部２６、焦点位置決定部３０として機能する。特に、制御部２６については、コンピューターが所定の制御プログラムを実行することにより、光源制御部、焦点位置制御部、走査制御部、検出制御部、記録制御部、表示制御部等として機能する。

［形状測定方法］
波長を一定の周期で掃引させた光を波長掃引光源１２から出力させる。波長掃引光源１２から出力された光は、第１の光ファイバーＦ１を経由してファイバーカプラ１４に導かれ、ファイバーカプラ１４によって測定光と参照光とに分岐される。

参照光は、第２の光ファイバーＦ２に導かれて、そのファイバー端から出射し、第１のコリメーターＣ１を介して、一定位置に設置されたコーナーキューブプリズム１６に照射される。コーナーキューブプリズム１６に照射された参照光は、コーナーキューブプリズム１６で反射し、第１のコリメーターＣ１を介して第２の光ファイバーＦ２に入射する。そして、その第２の光ファイバーＦ２を経由してファイバーカプラ１４に導かれる。

一方、測定光は、第３の光ファイバーＦ３に導かれて、そのファイバー端から出射する。第３の光ファイバーＦ３から出射した測定光は、第２のコリメーターＣ２で平行光束とされ、焦点調節部１８及び走査部２０を経由して、測定対象物Ｏの測定対象面Ｔに照射される。測定対象面Ｔに照射された測定光は、測定対象面Ｔで反射し、走査部２０、焦点調節部１８、第２のコリメーターＣ２を介して第３の光ファイバーＦ３に入射する。そして、第３の光ファイバーＦ３を経由してファイバーカプラ１４に導かれる。

測定対象面Ｔで反射した測定光、及び、コーナーキューブプリズム１６で反射した参照光は、ファイバーカプラ１４で合成され、干渉光が生成される。生成された干渉光は、第４の光ファイバーＦ４に導かれて検出部２２に入射され、その強度が検出される。

検出部２２の検出結果（検出信号）は、測長部２４に出力される。測長部２４は、検出部２２の検出結果に基づいて、測定光と参照光との光路長差を算出し、算出した光路長差を測長値として制御部２６に出力する。制御部２６は、測長部２４から得られた測定データ（各測定点の測長値）を記録部２８に記録するとともに、表示部３２に表示する。

測定は、測定光を走査させることにより連続的に行われる。制御部２６は、一つの測定点での測定が終了すると、走査部２０を駆動して、測定光の照射位置を次の測定点に移動させる。このように、測定光の照射位置を順次移動させて、各測定点での測長値を取得する。これにより、測定光で走査した箇所の形状を測定できる。すなわち、各測定点での測定対象面Ｔの高さが求まるので、測定対象面Ｔの形状を求めることができる。

［焦点調節］
上記のように、測定は、測定光の走査によって、測定点を順次移動させながら連続的に行われる。本実施の形態の形状測定装置１０では、測定点の切り替わりに連動して、測定光の焦点調節が行われる。この焦点合わせは、過去の測定データを利用して行われる。以下、この焦点調節の方法について説明する。

〈第１の方法〉
図３は、焦点調節の第１の方法の概念図である。

図３において、符号Ｔは測定対象面である。測定対象面Ｔは、図中矢印Ｂで示す方向（Ｘ軸と平行な方向）に走査され、各点Ｐ１、Ｐ２、…で測定される。すなわち、各点Ｐ１、Ｐ２、…が測定点であり、点Ｐ１、点Ｐ２、…の順で測定される。走査方向（図中矢印Ｂの方向）における各測定点の間隔は一定である。

上記のように、測定光の照射により、測定光を照射した地点における測長値が得られる。この測長値は、測定光を照射した地点における測定対象面の位置として捉えることができる。

そこで、第１の方法では、直前の測定点で測定された測定対象面Ｔの位置に焦点を合わせて、次の測定点での測定を実施する。すなわち、次の測定点での測定光の焦点位置は、直前の測定点での測定対象面Ｔの位置に設定される。たとえば、第２の測定点である点Ｐ２では、第１の測定点である点Ｐ１での測定対象面Ｔの位置に焦点位置が設定される。また、第３の測定点である点Ｐ３では、第２の測定点である点Ｐ２での測定対象面Ｔの位置に焦点位置が設定される。

このように、直前の測定点での測定対象面Ｔの位置に焦点位置を合わせて、次の測定点の測定を実施することにより、測定光の焦点位置が測定対象面Ｔからずれるのを防止でき、高感度な測定が可能になる。

焦点位置決定部３０は、測長値と焦点位置との関係を定めたテーブルを保持しており、このテーブルを参照して、測長値から測定対象面Ｔの位置に焦点を合わせるための焦点位置を決定する。そして、決定した焦点位置の情報を制御部２６に出力する。

制御部２６は、得られた焦点位置の情報に基づいて、焦点調節部１８の駆動を制御し、決められた焦点位置に測定光の焦点を合わせる。すなわち、直前の測定点での測定対象面Ｔの位置に測定光の焦点を合わせる。

図４は、焦点調節を含めた測定の手順を示すフローチャートである。

まず、第１の測定点で測定を実施する（ステップＳ１１）。そして、その測定結果を記録部２８に記録する（ステップＳ１２）。

記録部２８への測定データの記録後、次の測定点の有無を判定する（ステップＳ１３）。すなわち、走査が完了したか否かを判定する。走査が完了しており、次の測定点がない場合は、処理を終了する。

一方、次の測定点が存在する場合は、次の測定点での焦点位置を決定する（ステップＳ１４）。ここで、次の測定点での焦点位置は、直前の測定点での測定結果に基づいて決定する。すなわち、直前の測定点での測定対象面Ｔの位置に焦点位置を設定する。

次に、焦点調節を行って、決定した焦点位置に測定光の焦点位置を移動させる（ステップＳ１５）。焦点調節後、測定点を移動させ（ステップＳ１６）、次の測定点の測定を実施する（ステップＳ１１）。

このように、測定点を切り替えるたびに焦点調節を行って、各測定点での測定を実施する。これにより、高感度な測定を行うことができる。

〈第２の方法〉
図５は、焦点調節の第２の方法の概念図である。

図５において、符号Ｔは測定対象面である。測定対象面Ｔは、図中矢印Ｂで示す方向に走査され、各点Ｐ１、Ｐ２、…で測定される。

本方法では、直前の測定点までに取得された測定点ごとの測長値に基づいて、次の測定点での測定対象面Ｔの位置を推定し、推定した位置を次の測定点での焦点位置に設定する。

たとえば、第６の測定点である点Ｐ６まで測定が完了している場合、第１の測定点（測定開始点）である点Ｐ１から第６の測定点（直前の測定点）である点Ｐ６までの各測定点での測定結果（測長値Ｌ１、Ｌ２、…、Ｌ６）を利用して、次の測定点（点Ｐ７）での測定対象面Ｔの位置を推定する。そして、推定した位置に焦点位置を設定して、第７の測定点（点Ｐ７）での測定を実施する。推定は、たとえば、線形予測法を利用する。

焦点位置決定部３０は、各測定点での測定結果の情報を逐次取得し、線形予測法を利用して、次の測定点での測定対象面Ｔの位置を算出する。そして、算出した位置を次の測定点での焦点位置に決定し、決定した焦点位置の情報を制御部２６に出力する。制御部２６は、得られた焦点位置の情報に基づいて、焦点調節部１８の駆動を制御し、決められた焦点位置に測定光の焦点を合わせる。

このように、第２の方法では、直前の測定点までの測定結果に基づいて、次の測定点での測定対象面Ｔの位置を推定し、その位置に焦点位置を設定して、次の測定点での測定を実施する。これにより、測定光の焦点位置から測定対象面Ｔの位置がずれるのを防止でき、常に高感度な測定を行うことができる。特に、図５に示すように、測定対象面Ｔが連続的に変化する場合に有効に作用する。

なお、次の測定点での測定対象面Ｔの位置を推定する方法は、線形予測法に限らず、種々の方法を利用することができる。たとえば、直前の測定点までの測定結果を利用して、多項式回帰分析により次の測定点での測定対象面Ｔの位置を推定することもできる。これにより、より正確に次の測定点での測定対象面Ｔの位置を推定できる。

［透明物体の測定］
波長掃引光源を用いた干渉計測では、透明物体のように測定対象物Ｏが測定光を透過する場合、測定対象物Ｏの両面（表面及び裏面）の形状を測定することができる。

しかしながら、信号強度は、焦点位置から離れるに従って低下するので、一度に両面の測定を高精度に行うことは困難である。

そこで、測定対象物を２回走査し、表面と裏面を分けて測定する。その際、表面の測定では、表面の位置に測定光の焦点を合わせて測定を実施し、裏面の測定では、裏面の位置に測定光の焦点の位置を合わせて測定を実施する。

図６は、透明物体を測定する場合の測定の概念図である。なお、同図（Ａ）は、測定対象物Ｏの表面を測定する場合の概念図であり、同図（Ｂ）は、測定対象物Ｏの裏面を測定する場合の概念図である。

測定対象物Ｏの表面を第１の測定対象面Ｔ１とし、裏面を第２の測定対象面Ｔ２とすると、１回目の走査では、第１の測定対象面Ｔ１に測定光の焦点を合わせて、第１の測定対象面Ｔ１の測定を実施する。そして、２回目の走査では、第２の測定対象面Ｔ２に測定光の焦点を合わせて、第２の測定対象面Ｔ２の測定を実施する。

ここで、焦点調節は、上記第１の方法を用いて実施する。すなわち、直前の測定点での測定結果（測長値）に基づいて、次の測定点での測定光の焦点位置を決定する。したがって、次の測定点での焦点位置は、直前の測定点での測定対象面の位置に設定される。

たとえば、図６（Ａ）に示すように、１回目の走査によって、第１の測定対象面Ｔ１を測定する場合、第２の測定点である点Ｐ２では、第１の測定点である点Ｐ１での第１の測定対象面Ｔ１の位置に焦点位置が設定される。また、第３の測定点である点Ｐ３では、第２の測定点である点Ｐ２での第１の測定対象面Ｔ１の位置に焦点位置が設定される。

また、たとえば、図６（Ｂ）に示すように、２回目の走査によって、第２の測定対象面Ｔ２を測定する場合、第２の測定点である点Ｐ２では、第１の測定点である点Ｐ１での第２の測定対象面Ｔ２の位置に焦点位置が設定される。また、第３の測定点である点Ｐ３では、第２の測定点である点Ｐ２での第２の測定対象面Ｔ２の位置に焦点位置が設定される。

このように、直前の測定点での測定対象面の位置に焦点位置を合わせて、次の測定点の測定を実施することにより、測定光の焦点位置が測定対象面からずれるのを防止でき、両面において、高感度な測定が可能になる。

図７は、透明物体を測定する場合の測定の手順を示すフローチャートである。

上記のように、透明物体を測定する場合は、測定対象物の２回走査し、表裏を分けて測定する。

測定が指示されると、１回目の走査を開始する（ステップＳ２０）。まず、第１の測定点で測定を実施する（ステップＳ２１）。そして、その測定結果を記録部２８に記録する（ステップＳ２２）。記録部２８への測定データの記録後、次の測定点の有無を判定する（ステップＳ２３）。すなわち、１回目の走査が完了したか否かを判定する。１回目の走査が完了している場合は、２回目の走査を開始する（ステップＳ３０）。

一方、次の測定点が存在する場合は、次の測定点での焦点位置を決定する（ステップＳ２４）。上記のように、次の測定点での焦点位置は、直前の測定点での測定結果に基づいて決定する。すなわち、直前の測定点での第１の測定対象面Ｔ１の位置に焦点位置を設定する。次に、焦点調節を行い、決定した焦点位置に測定光の焦点を移動させる（ステップＳ２５）。この場合、第１の測定対象面Ｔ１、又は、その近傍に焦点が合わせられる。焦点調節後、測定点を移動させ（ステップＳ２６）、次の測定点の測定を実施する（ステップＳ２１）。

１回目の走査が終了すると、２回目の走査を開始する（ステップＳ３０）。まず、第１の測定点での測定を実施する（ステップＳ３１）。そして、その測定結果を記録部２８に記録する（ステップＳ３２）。記録部２８への測定データの記録後、次の測定点の有無を判定する（ステップＳ３３）。すなわち、２回目の走査が完了したか否かを判定する。２回目の走査が完了している場合は、測定処理を終了する。

一方、次の測定点が存在する場合は、次の測定点での焦点位置を決定する（ステップＳ３４）。上記のように、次の測定点での焦点位置は、直前の測定点での測定結果に基づいて決定する。すなわち、直前の測定点での第２の測定対象面Ｔ２の位置に焦点位置を設定する。次に、焦点調節を行い、決定した焦点位置に測定光の焦点を移動させる（ステップＳ３５）。この場合、第２の測定対象面Ｔ２、又は、その近傍に焦点が合わせられる。焦点調節後、測定点を移動させ（ステップＳ３６）、次の測定点の測定を実施する（ステップＳ３１）。

このように、測定対象物が測定光を透過可能な場合、測定対象物を２回走査して測定を実施し、測定対象物の表面及び裏面を測定する。この際、表面を測定する場合は、測定光の焦点を表面の位置に合わせて測定を実施し、裏面を測定する場合は、測定光の焦点を裏面の位置に合わせて測定を実施する。これにより、表面及び裏面において、高感度な測定を行うことができる。

なお、本例では、第１の方法を用いて焦点調節しているが、第２の方法を用い焦点調整することもできる。

また、本例では、１回目の走査で表面を測定し、２回目の走査で裏面の測定する構成としているが、１回目の走査で裏面を測定し、２回目の走査で表面の測定する構成とすることもできる。

また、測定対象物が積層構造を有する場合、測定する界面の数だけ走査回数を増やして、各界面の測定を行うことができる。この場合、測定する界面の位置に合わせて、測定光の焦点位置を調節する。たとえば、測定対象物が透明であって、かつ、２層構造を有する場合、表面及び裏面に加えて、第１層と第２層との界面が測定対象面となる。この場合、３回走査し、表面（第１の測定対象面）、第１層と第２層との界面（第２の測定対象面）、裏面（第３の測定対象面）の順で測定する。そして、１回目の走査では表面に、２回目の走査では第１層と第２層との界面に、３回目の走査では裏面に、測定光の焦点を合わせて、測定を実施する。これにより、各面において、高感度な測定ができる。

［変形例］
〈焦点調節部〉
上記実施の形態では、可変焦点レンズを用いて測定光の焦点調節を行う構成としているが、測定光の焦点調節を行う手段は、これに限定されるものではない。レンズを光軸方向に機械的に移動させて、焦点調節を行う構成とすることもできる。

なお、可変焦点レンズは、レンズの機械的な移動を伴わないことから、応答性がよく、短時間で焦点合わせの高速化が図れるという利点がある。

〈走査部〉
上記実施の形態では、走査鏡を用いて測定光を走査させる構成としているが、測定光を走査させる手段は、これに限定されるものでない。この他、たとえば、ポリゴンミラーを用いて走査させる構成とすることもできる。また、ＭＥＭＳミラー（MEMS : Micro Electro Mechanical System）を用いて、走査光を走査させることもできる。さらに、電気光学結晶による偏向装置によって測定光を走査させることもできる。

また、上記実施の形態では、測定光を偏向させて、測定光を走査させる構成としているが、測定対象物を移動させて、測定光を走査させる構成とすることもできる。この場合、たとえば、ステージをＸ−Ｙ平面に沿って移動可能とし、ステージをアクチュエーターで移動させて、測定光を走査させる。

〈参照面〉
上記実施の形態では、コーナーキューブプリズムで参照面を構成しているが、ミラーで参照面を構成することもできる。

〈分岐部・干渉部〉
上記実施の形態では、分岐部及び干渉部をファイバーカプラで構成しているが、ビームスプリッターで構成することもできる。

また、上記実施の形態では、分岐部及び干渉部を１つのファイバーカプラで兼用しているが、分岐部及び干渉部を別々のファイバーカプラで構成することもできる。

〈干渉計〉
上記実施の形態では、干渉計の構成として、マイケルソン型の干渉計の構成を採用しているが、干渉計の構成は、これに限定されるものではない。この他、たとえば、フィゾー型の干渉で構成することもできる。

〈測定対象物〉
測定対象物については、特に限定されるものではなく、金属やプラスチック等の種々の物体を測定対象物とすることができる。また、上記のように、測定光を透過可能な物体、たとえば、ガラスやポリマー等で構成される物体を測定対象物とすることもできる。

本発明の効果を確認するため、次の実験を行った。

図１に示す形状測定装置において、各測定点で焦点調節を行いながら測定する場合と、焦点調節を行わずに測定する場合（焦点を固定して測定する場合）とを比較した。

比較は、３０度の傾斜を有する金属の測定対象面に対して、測長方向（Ｚ軸方向）に約１０ｍｍの範囲で測定することにより行った。

また、焦点調節は、第１の方法、すなわち、直前の測定点での測定対象面の位置に焦点を合わせて次の測定点の測定を実施する方法を採用した。

図８は、測定結果を示すグラフである。同図（Ａ）は、焦点調節を行いながら測定した場合の測定結果を示しており、同図（Ｂ）は、焦点調節を行わすに測定した場合の測定結果を示している。

図８（Ｂ）に示すように、焦点調節を行わずに測定した場合、高感度測定が可能な範囲は、測長方向に±１ｍｍ程度の範囲Ｒｂである。

これに対して、焦点調節を行いながら測定する方法（本発明の方法）の場合は、図８（Ａ）に示すように、約１０ｍｍの範囲の全域Ｒａで高感度計測が可能であることが確認できる。

このように、本発明によれば、深さのある物体の形状測定に非常に有効であることが確認できる。

１０…形状測定装置、１２…波長掃引光源、１４…ファイバーカプラ、１６…コーナーキューブプリズム、１８…焦点調節部、１８Ａ…焦点調節レンズ、１８Ｂ…レンズドライバー、２０…走査部、２０Ａ…走査鏡、２０Ｂ…アクチュエーター、２２…検出部、２４…測長部、２６…制御部、２８…記録部、３０…焦点位置決定部、３２…表示部、３４…操作部、４０…ステージ、Ｃ１…第１のコリメーター、Ｃ２…第２のコリメーター、Ｆ１…第１の光ファイバー、Ｆ２…第２の光ファイバー、Ｆ３…第３の光ファイバー、Ｆ４…第４の光ファイバー、Ｏ…測定対象物、Ｔ…測定対象面、Ｔ１…第１の測定対象面、Ｔ２…第２の測定対象面

Claims (12)

1. 波長掃引光源と、
   前記波長掃引光源からの光を測定光と参照光とに分岐する分岐部と、
   前記参照光を一定位置で反射する参照面と、
   前記測定光の焦点位置を調節する焦点調節部と、
   前記測定光を走査させて測定点を変更させる走査部と、
   前記走査部を制御する走査制御部と、
   測定対象面で反射した前記測定光と、前記参照面で反射した前記参照光との干渉光の強度を検出する検出部と、
   前記検出部で検出される前記干渉光の強度に基づいて、前記測定光と前記参照光との光路長差を算出し、算出した前記光路長差を測長値として出力する測長部と、
   前記測定点ごとに出力される前記測長値を記録する記録部と、
   前記測定点ごとに出力される前記測長値に基づいて、次の前記測定点で測定する際に設定する前記測定光の焦点位置を決定する焦点位置決定部と、
   前記焦点調節部を制御して、前記焦点位置決定部で決定された焦点位置に前記測定光の焦点位置を設定する焦点位置制御部と、
   を備えた形状測定装置。
2. 前記焦点位置決定部は、直前の前記測定点での前記測長値に基づいて、次の前記測定点で測定する際に設定する前記測定光の焦点位置を決定する、
   請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記焦点位置決定部は、直前の前記測定点までに取得された前記測定点ごとの前記測長値に基づいて、次の前記測定点での前記測定対象面の位置を推定し、推定した位置に基づいて、次の前記測定点で測定する際に設定する前記測定光の焦点位置を決定する、
   請求項１に記載の形状測定装置。
4. 前記焦点位置決定部は、直前の前記測定点までに取得された前記測定点ごとの前記測長値に基づいて、線形予測法により次の前記測定点での前記測定対象面の位置を推定する、
   請求項３に記載の形状測定装置。
5. 前記焦点位置決定部は、直前の前記測定点までの前記測定点ごとの前記測長値に基づいて、多項式回帰分析により次の前記測定点での前記測定対象面の位置を推定する、
   請求項３に記載の形状測定装置。
6. 測定対象物が前記測定光を透過する場合において、
   前記走査制御部は、前記走査部を制御して、前記測定光を２回走査させ、
   前記焦点位置決定部は、１回目の走査時は、前記測定点ごとに出力される第１の測定対象面の前記測長値に基づいて、次の前記測定点で測定する際に設定する前記測定光の焦点位置を決定し、２回目の走査時は、前記測定点ごとに出力される第２の測定対象面の前記測長値に基づいて、次の前記測定点で測定する際に設定する前記測定光の焦点位置を決定し、
   前記記録部は、１回目の走査によって前記測定点ごとに出力される前記測長値を前記第１の測定対象面の前記測長値として記録し、かつ、２回目の走査によって前記測定点ごとに出力される前記測長値を前記第２の測定対象面の前記測長値として記録する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の形状測定装置。
7. 波長掃引光源からの光を測定光と参照光とに分岐し、前記測定光で測定対象面を走査し、前記測定対象面で反射した前記測定光と、参照面で反射した前記参照光との干渉光の強度を検出し、検出した前記干渉光の強度に基づいて、前記測定光と前記参照光との光路長差を算出し、算出した前記光路長差を各測定点の測長値として取得する形状測定方法において、
   前記測定点ごとに取得される前記測長値に基づいて、次の前記測定点で測定する際に設定する前記測定光の焦点位置を決定し、決定した焦点位置に前記測定光の焦点位置を移動させた後、次の前記測定点での測定を実施する形状測定方法。
8. 直前の前記測定点での前記測長値に基づいて、次の前記測定点で測定する際に設定する前記測定光の焦点位置を決定する、
   請求項７に記載の形状測定方法。
9. 直前の前記測定点までに取得された前記測定点ごとの前記測長値に基づいて、次の前記測定点での前記測定対象面の位置を推定し、推定した位置に基づいて、次の前記測定点で測定する際に設定する前記測定光の焦点位置を決定する、
   請求項７に記載の形状測定方法。
10. 直前の前記測定点までに取得された前記測定点ごとの前記測長値に基づいて、線形予測法により次の前記測定点での前記測定対象面の位置を推定する、
    請求項９に記載の形状測定方法。
11. 直前の前記測定点までの前記測定点ごとの前記測長値に基づいて、多項式回帰分析により次の前記測定点での前記測定対象面の位置を推定する、
    請求項９に記載の形状測定方法。
12. 測定対象物が前記測定光を透過する場合において、
    前記測定光を２回走査させ、
    １回目の走査時は、前記測定点ごとに出力される第１の測定対象面の前記測長値に基づいて、次の前記測定点で測定する際に設定する前記測定光の焦点位置を決定し、２回目の走査時は、前記測定点ごとに出力される第２の測定対象面の前記測長値に基づいて、次の前記測定点で測定する際に設定する前記測定光の焦点位置を決定する、
    請求項７から１１のいずれか１項に記載の形状測定方法。

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