JP5233643B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、多波長干渉縞を用いて被測定物の形状を測定する形状測定装置に関し、詳しくは干渉色に基づき光干渉を生じる２系統の光束の光路長差を求め、被測定物の形状を測定する形状測定装置に関するものである。

従来、非接触かつ高精度に被測定物の形状を測定できる形状測定技術として、２光束干渉対物レンズを用いた形状測定方法が知られている。２光束干渉対物レンズを用いた形状測定方法の一例を示す特許文献１において、測定光路と参照光路とに分割された２系統の多波長光の干渉により得られた多波長干渉縞から、該２系統の光路長差を求める際に、各色光ごとのスペクトルの強度ピークが該光路長差０の位置付近で互いに少しずつずれるようにした多波長干渉縞による形状測定方法が開示されている。かかる従来技術では、前記２系統の多波長光の干渉を、２光束干渉対物レンズを用いて観察する場合、２つの参照板の光学的厚みが互いに異なるようにしている。又、特許文献１では、２つの参照板の光学的厚みの差による、干渉色のスペクトル分布において各色強度ピークが光路長差０の位置から互いに少しずつずれるようにし、このスペクトル分布の非対称性から２系統の光束の光路長差を求める場合に、その絶対値と正負の特定を行うものである。
特開２０００−３３７８３６号公報

ところで、２光束干渉対物レンズを用いた形状測定方法において、本来的には、クリアな干渉縞を得るために、被測定物にピントが合う位置と、測定光路と参照光路との光路差が０となる位置とを一致させる必要がある。そこで、かかる関係を満たすことができるように、対物レンズと２つの参照板との相互の距離が精度良く設定され作り込みが行われている。ところが、このように精度良く作り込みがなされた対物レンズと２つの参照板を用いても、例えば被測定物に保護膜がコートされている場合や、測定光路内にガラスなどの光透過体などが挿入された場合には、被測定物にピントが合う位置と、測定光路と参照光路との光路差が０となる位置が一致せず、形状測定の精度が低下するという問題がある。

より具体的には、特許文献１において、被測定物に保護膜がコートされている場合や、２光束干渉対物レンズと被測定物との間にガラスのような光透過体などが挿入された場合、測定光路の光路長が変化してしまい、スペクトル分布の非対称性が、２つの参照板の光学的厚みの差に起因する成分に、前記保護膜や光透過体による光路長変化に起因する成分が重畳されて、測定光路と参照光路との光路差の絶対値と正負の特定が不可能となってしまう。

このように、被測定物に保護膜がコートされていたり、２光束干渉対物レンズと被測定物との間にガラスのような光透過体などが挿入されたりして、被測定物にピントが合う位置と、測定光路と参照光路との光路差０となる位置とが一致しなくなった場合、従来技術によれば、別な距離寸法で作り込んだ２光束干渉対物レンズを用いるしかなく、それによりコスト高を招いていた。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、観察条件に関わらず、被測定物にピントが合う位置と、測定光路と参照光路との光路差０となる位置とを一致させることができる形状測定装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の形状測定装置は、
光源と、
前記光源からの光束を集光する対物レンズと、
前記対物レンズから出射された光束を、被測定物に向かう測定光と、参照光とに分岐する分岐手段と、
前記被測定物から反射した測定光と、前記参照光とを合成して出射する合成手段と、
前記合成手段で合成された前記測定光と前記参照光を観察する観察手段と、
前記測定光の光路長を調整する調整手段と、を有し、
前記対物レンズと前記被測定物との間には、一部の光束を透過し残りの光束を反射する２枚のハーフミラーが配置されており、前記被測定物に近い側のハーフミラーが前記分岐手段を構成し、前記対物レンズに近い側のハーフミラーが前記合成手段を構成し、
前記調整手段は、相対的に変位可能な２つの楔状板材を組み合わせてなる前記ハーフミラーの少なくとも一方を含み、前記測定光は、前記２つの楔状部材の重合部を通過するようになっており、前記楔状部材の少なくとも一方を他方に対して変位させることにより、前記測定光の光路長を調整することを特徴とする。

本発明によれば、例え被測定物に保護膜がコートされたり、２光束干渉対物レンズと被測定物との間にガラスのような光透過体などが挿入されたりしても、前記調整手段により前記測定光の光路長を調整することができるので、被測定物にピントが合う位置と、測定光路と参照光路との光路差０となる位置とを一致させることができるため、合成光に基づく高品質な干渉縞等を観察することができる。

又、前記調整手段は、相対的に変位可能な２つの楔状板材を組み合わせてなる前記ハーフミラーの少なくとも一方を含み、前記測定光は、前記２つの楔状部材の重合部を通過するようになっており、前記楔状部材の少なくとも一方を他方に対して変位させることにより、前記測定光の光路長を調整することを特徴とするので、例えば前記楔状部材を光軸直交方向に変位させることで、前記ハーフミラーの厚さを変化させ、それにより前記測定光の光路長を任意に変化させることができる。

請求項２に記載の形状測定装置は、請求項１に記載の発明において、前記楔状部材の少なくとも一方を駆動するアクチュエータを有することを特徴とする。但し、前記楔状部材の少なくとも一方は手動にて相対変位させても良い。

請求項３に記載の形状測定装置は、請求項１に記載の発明において、前記調整手段は、板厚又は材質の異なるハーフミラーを含み、特定の板厚又は材質を有するハーフミラーに交換することにより、前記測定光の光路長を調整することを特徴とするので、特に複雑な機構を必要とすることなく、簡便に前記測定光の光路長を変化させることができる。尚、特定の板厚又は材質を有するハーフミラーは、手動で交換しても良いし、回転可能なターレットに複数のハーフミラーを搭載し、ターレットを回転させることで機械的に交換するようにしても良い。

請求項４に記載の形状測定装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記観察手段は、前記合成光を撮像する撮像素子と、前記撮像素子からの信号を演算する演算装置とを有することを特徴とする。前記対物レンズに入射する入射光は、前記分岐手段で２系統の光束に分割され、一方は被測定物で反射された測定光として、他方は光路長が既知の参照光として、前記合成手段で合成された後、前記撮像装置に取り込まれる。よって、前記撮像装置からの信号に応じた画像と干渉縞に基づいて、前記演算装置で演算処理することで、前記被測定物の形状を求めることができる。

本発明によれば、観察条件に関わらず、被測定物にピントが合う位置と、測定光路と参照光路との光路差０となる位置とを一致させることができる形状測定装置を提供することが可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本実施の形態の形状測定装置を示す概略図であるが、鏡筒等は省略している。図１において、検査光として、光源２０から出射された発散光は、照明光学系２１を通り、更にビームスプリッタ２４で反射して、２光束干渉対物レンズ系ＯＢＪに入射する。２光束干渉対物レンズＯＢＪは、光源２０からの光束を入射して、参照光と、被測定物１４に向かう測定光の２系統に分岐し、更に被測定物１４からの反射光を、参照光と合成して出射する機能を有する。２光束干渉対物レンズ系ＯＢＪから出射された合成光は、ビームスプリッタ２４を通過し、センサレンズ２３により集光されて、固体撮像素子であるCCDセンサ２２の受光面に入射する。ＣＣＤセンサ２２で得られた画像データは、パソコン等の演算部２５に出力され、演算部２５で演算処理を行うことで、被測定物１４の形状データが得られ、形状測定が可能となり、不図示の付属モニタで観察できる。ＣＣＤセンサ２２と演算手段２５とで観察手段を構成する。尚、形状測定の原理と画像データに基づく演算については、例えば特開２０００−３３７８３６号公報等に詳細に記載されているため、以下に説明しない。

図２は、２光束干渉対物レンズ系ＯＢＪの断面図である。図３は、ハーフミラー１２の拡大図である。図２において、２光束干渉対物レンズ系ＯＢＪは、円筒状の鏡筒１５内に、対物レンズ１０と、２枚のハーフミラー１１，１２とを収容している。対物レンズ１０側の第１ハーフミラー（合成手段）１１は、光軸に直交する平行平板であって、下面に半透過膜を蒸着している。一方、被測定物１４側の第２ハーフミラー（分岐手段）１２は、斜面同士を対面させた２つの楔状部材１２ａ、１２ｂを有している。但し、第２ハーフミラー１２を平行平板とし、第１ハーフミラー１１を２つの楔状部材で構成しても良い。

図２に示す状態で、楔状部材１２ａ、１２ｂの重合部は光軸に直交する平行平板状になり（重合部の上面と下面が平行になるの意味）、対物レンズ１０に近い側の楔状部材１２ｂの上面には、半透過膜を蒸着している。

図２において、鏡筒１５は側面に開口１５ａを有し、開口１５ａにアクチュエータ１６を配置している。アクチュエータ１６は、例えば圧電素子（ピエゾアクチュエータ）からなり、外部からの電力の供給により、図３に点線で示すように、鏡筒１５に固定された楔状部材１２ａに対して、楔状部材１２ｂを光軸直交方向に変位させるように機能する。アクチュエータ１６としては、ピエゾアクチュエータの他に、モータや手動で操作可能なネジを駆動源として用いてもよい。

２光束干渉対物レンズ系ＯＢＪの機能について、図２を参照して説明する。光源２０（図１）から、２光束干渉対物レンズ系ＯＢＪに入射した光束は、対物レンズ１０で収束光Ｌに変換され、第１ハーフミラー１１を通過し、第２ハーフミラー１２の上面で一部の光束（参照光という）Ｌ１が反射され、第１ハーフミラー１１に戻って反射された後、第２ハーフミラー１２に戻って反射され、再度第１ハーフミラー１１に向かう。一方、第２ハーフミラー１２を透過した残りの光束（測定光という）Ｌ２は、被測定物１４の表面で反射して、再び第２ハーフミラー１２を透過して、第１ハーフミラー１１に向かう。よって、参照光Ｌ１と測定光Ｌ２は、第１ハーフミラー１１で合成され、光路長が等しい部分は干渉縞が生じることとなる、かかる合成光は、対物レンズ１０を通過して、２光束干渉対物レンズ系ＯＢＪから出射した後、ＣＣＤセンサ２２の受光面に結像することにより、その干渉縞が観察されることとなる。従って、本来的には、被測定物１４の表面にピントが合う位置と、参照光Ｌ１と測定光Ｌ２の光路長差が０となる位置が一致するように、対物レンズ１０と、ハーフミラー１１，１２の位置が決められる。

ここで、被測定物１４に、空気と屈折率が異なる保護膜１３がコートされている場合を考える。かかる場合、保護膜１３の厚さに応じて測定光Ｌ２の光路長が変化するため、被測定物１４の膜下の表面にピントが合う位置と、参照光Ｌ１と測定光Ｌ２の光路長差が０となる位置が一致しなくなる。

かかる場合、本実施の形態によれば、被測定物１４の膜下の表面にピントが合う位置において、参照光Ｌ１と測定光Ｌ２の２系統の光路差が０となるように、ＣＣＤセンサ２２からの信号に基づく画像を観察しながら、アクチュエータ１６を駆動して楔状部材１２ｂを光軸直交方向に移動させることができる。これにより、図３に示すように、空気と屈折率が異なる楔状部材１２ａ、１２ｂの重合部の厚さが変化（Δ）するので、かかる重合部を通過する測定光Ｌ２の距離が変化し、これにより測定光Ｌ２の光路長を変えることができる。具体的には、被測定物１４に保護膜１３がコートされている場合には、第２ハーフミラー１２の厚さを薄くする。尚、図３から明らかであるが、楔状部材１２ｂを光軸直交方向に移動させると、参照光Ｌ１の光路長も変化する。しかしながら、一方の光路長が長くなると、他方の光路長が短くなるので、光路差が０となる位置は一義的に決まる。

このように、測定光Ｌ２の光路長が変化するのは、被測定物１４に保護膜１３がコートされている場合に限られず、例えば被測定物１４と２光束干渉対物レンズ系ＯＢＪとの間に、ガラスのような光透過体が挿入されたような場合でもあり得るが、かかる場合にも、楔状部材１２ｂを光軸直交方向に移動させることで光路長調整は可能である。又、移動させるのは、被測定物１４に近い側の楔状部材１２ａでも良い。更に、測定光の光路長を固定した上で、参照光の光路長を変更して、光路差０を実現しても良い。

尚、光路長の調整としては、上述したように２つの楔状部材からなるハーフミラーを用いる代わりに、厚みや屈折率などが異なるハーフミラーを複数種類用意しておき、被測定物の保護膜の厚さ等に応じて、被測定物の膜下の表面にピントが合う位置において、参照光と測定光の２系統の光路差が０となるように、適切なハーフミラーを選択して交換しながら用いることが考えられる。このように、ハーフミラー入れ換え可能な構造とすることで、連続的な調整はできないが、楔状部材を移動させるアクチュエータ等が不要となるため、装置の小型化が実現できる。

本実施の形態の形状測定装置を示す概略図である。 ２光束干渉対物レンズ系ＯＢＪの断面図である。 図３は、ハーフミラー１２の拡大図である。

符号の説明

１０…対物レンズ
１１…第１ハーフミラー
１２…第２ハーフミラー
１２ａ…楔状部材
１２ｂ…楔状部材
１３…被測定物保護膜
１４…被測定物
１５…鏡筒
１６…アクチュエータ
２０…検査光光源
２１…照明光学系
２２…CCDセンサ
２３…集光レンズ
２４…ビームスプリッタ
２５…演算部

Claims (4)

1. 光源と、
   前記光源からの光束を集光する対物レンズと、
   前記対物レンズから出射された光束を、被測定物に向かう測定光と、参照光とに分岐する分岐手段と、
   前記被測定物から反射した測定光と、前記参照光とを合成して出射する合成手段と、
   前記合成手段で合成された前記測定光と前記参照光を観察する観察手段と、
   前記測定光の光路長を調整する調整手段と、を有し、
   前記対物レンズと前記被測定物との間には、一部の光束を透過し残りの光束を反射する２枚のハーフミラーが配置されており、前記被測定物に近い側のハーフミラーが前記分岐手段を構成し、前記対物レンズに近い側のハーフミラーが前記合成手段を構成し、
   前記調整手段は、相対的に変位可能な２つの楔状板材を組み合わせてなる前記ハーフミラーの少なくとも一方を含み、前記測定光は、前記２つの楔状部材の重合部を通過するようになっており、前記楔状部材の少なくとも一方を他方に対して変位させることにより、前記測定光の光路長を調整することを特徴とする形状測定装置。
2. 前記楔状部材の少なくとも一方を駆動するアクチュエータを有することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記調整手段は、板厚又は材質の異なるハーフミラーを含み、特定の板厚又は材質を有するハーフミラーに交換することにより、前記測定光の光路長を調整することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
4. 前記観察手段は、前記合成光を撮像する撮像素子と、前記撮像素子からの信号を演算する演算装置とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の形状測定装置。

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