JPH0255908A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 表面形状測定装置、特に光を用いて被測定物の表面形状
を測定する装置に関し、 開口数の大きなレンズのホログラムである走査ホログラ
ム及び結像ホログラムから構成され測定限界がきわめて
高く、かつ調整の容易な表面形状測定装置を提供するこ
とを目的とし、 光発生部からの入射光を被測定物（５６）に照射し、前
記被測定物（５６）で反射された反射光を光検出部によ
り検出し、前記反射光に対応する検出信号に基づいて前
記被測定物（５６）の表面形状を測定する装置において
、前記入射光を前記被測定物（５６）に方向付ける走査
ホログラム（５２）と、前記反射光を前記光検出部に方
向付ける結像ホログラム（５４）とを同一基板（５０）
上に形成するように構成されている。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、表面形状測定装置、特に光を用いて被測定物
の表面形状を測定する装置に関する。

従来、光、例えばレーザ光を用いて被測定物の表面形状
を測定する装置がある。この種の装置においては、光発
生部でレーザ光を発生させ、このレーザ光を走査レンズ
により被測定物の表面に方向付け、該被測定物の表面で
反射されたレーザ光を結像レンズにより光検出部に方向
付け、この光検出部では、反射レーザ光に基づいて被測
定物の表面の形状が測定される。

〔従来の技術〕

第１２図には、従来の表面形状測定装置が示されている
。

第１２図において、レーザ光発生器１０からのレーザ光
は、ビーム拡大器１２で拡大され、回転ミラー１４で反
射され、走査（対物）レンズ１６で被測定物１８の表面
２０に集束される。被測定物１８の表面２０で反射され
たレーザ光は、結像レンズ２２で光検出部の結像面２４
に集束され、この結像面２４に反射レーザ光の像が形成
される。

そして、前記回転ミラー１４を矢印Ａ方向に回転させる
と、被測定物１８の表面２０に集束されるレーザ光の位
置は、図示の状態から右方向に移動し、このときの軌跡
は、鎖線２６で示されている。このレーザ光の集束位置
の移動に従って、結像面２４には像２８が形成され、像
２８は、被測定物１８の表面２０の形状に対応している
６例えば、被測定物１８の凸部３０の高さｈは、像２８
では高さｈ′に対応する。

従って、結像面２４での像２８に基づいて、被測定０Ｊ
１８の表面２０の形状を正確に測定することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような表面形状測定装置において、微小な被測定
物１８の表面２０の形状を測定しようとする場合には、
開口数ＮＡの大きい走査レンズ１６及び結像レンズ２２
を用いて解像力を上げる必要がある。ここで、開口数Ｎ
Ａについて、第１３図を参照しながら説明すると、走査
レンズ１６についての開口数ＮＡ　（ｎｕｎｅｒｉｃａ
ｌ　ａｐｅｒｔｕｒｅ）は、ｎ　５ｉｎｕで示される（
ｎは物点空間の屈折率で通常ｎ＝１、Ｕは走査レンズ１
６の開口半角である）、従って開口数ＮＡを大きくする
には開口半角Ｕを大きくする必要があり必然的にレンズ
が大きくなる。つまり開口数ＮＡの大きな走査レンズ１
６及び結像レンズ２２を接近して設置しようとすると、
両レンズ１６及び２２が相互に物理的に干渉するので、
両レンズ１６及び２２の干渉を避けて両者を接近して設
置するためには、両レンズ１゛６及び２２の開口数ＮＡ
が小さい値に制限されてしまう０例えば、第１４図に示
されるようなレンズ１６及び２２の配置では、レンズ１
６及び２２の開口数ＮＡは、最大０．５５程度に制限さ
れてしまう。

ところが、微小な被測定物１８の表面２０の形状を測定
するには、１μｍ以下の対象を測定しうる解像力が必要
であり、このための開口数ＮＡとしては、０．８〜０．
９程度である必要がある。

それゆえ、上記のような開口数ＮＡの最大値が０．５５
である走査レンズ１６及び結像レンズ２２では高精度の
表面形状測定装置の実現が不可能であるという問題があ
る。

また、走査レンズと結像レンズとの相互位置の調整が装
置の精度向上に不可欠であるが、この相互位置の調整が
容易ではないという問題がある。

本発明の目的は、開口数の大きなレンズのホログラムで
ある走査ホログラム及び結像ホログラムから構成され測
定限界がきわめて高く、かつ調整の容易な表面形状測定
装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１図には、本発明の原理による表面形状測定装置が示
されている。

第１図において、同一の基板５０上に、走査ホログラム
５２及び結像ホログラム５４を形成し、この走査ホログ
ラム５２及び結像ホログラム５４を走査レンズ及び結像
レンズとして使用する。

〔作用〕

本発明の作用を第１図に基づいて説明する。

第１図において、光発生部（第１図では図示せず）から
の入射光は、走査ホログラム５２により被測定物５６の
表面５８に方向付けられ、該被測定物５６の表面５８で
反射された反射光は、結像ホログラム５４により光検出
部（第１図では図示せず）に方向付けられ、この光検出
部では、反射光に基づいて被測定物５６の表面５８の形
状が測定される。なお、図において、符号６０は、光発
生部と走査ホログラム５２との間に配置され走査ホログ
ラム５２に平行光を入射するためのレンズを示し、符号
６２は、結像ホログラム５４と光検出部との間に配置さ
れ結像ホログラムから出射した平行光を結像するための
レンズを示す。

このように、本発明の表面形状測定装置は、走査レンズ
及び結像レンズを使用することなく、同一基板５０上に
形成された走査ホログラム５２及び結像ホログラム５４
から構成しており、両ホログラム５２及び５４を接近し
て設置することができ、更に、両ホログラム５２及び５
４を一部重複して設置することもできる。従って、開口
数ＮＡの大きい走査レンズ及び結像レンズのホログラム
５２及び５４の場合にも、両者を接近して設置すること
が可能となり、測定限界が大幅に向上し、また両ホログ
ラム５２及び５４の相互位置の調整が不要となり、取扱
いがきわめて容易となる。

〔実施例〕

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する
。

第２図には、本発明の実施例による表面形状測定装置が
示されている。

第２図において、レーザ光発生器６４からのレーザ光は
、固定ミラー６６で反射され、ビーム拡大器６８で拡大
されレンズ６０で平行光とされた後、基板５０に形成さ
れた走査ホログラム５２で、被測定物５６の表面５８に
集束される。そして、被測定物５６の表面５８で反射さ
せられたレーザ光は、走査ホログラム５２と同一基板５
０に形成された結像ホログラム５４により、レンズ６２
に方向付けられた平行光となり、レンズ６２でピンホー
ル体７０に結像され、ピンホール体７０のピンホール７
２通って、光検出部７４に到達し、この光検出部７４内
の結像面には、反射レーザ光に基づいて、像が形成され
る。

上記の構成において、走査レンズ及び結像レンズの代わ
りに、同一基板５０上に形成された走査レンズのホログ
ラムである走査ホログラム５２及び結像レンズのホログ
ラムである結像ポログラム５４が用いられている。従っ
て、レンズ相互間の物理的干渉といったことは全く問題
とならず、両ホログラム５２及び５４を一部重複して設
置することができる。それゆえ、開口数ＮＡの大きい例
えば０，８〜０，９程度のレンズのホログラム５２及び
５４の場合にも、両者を接近して設置することができる
。

次に、同一基板５０上に形成された走査ホログラム５２
及び結像ホログラム５４の構成を第３図を参照しながら
更に詳述する。

第３図において、両ホログラム５２及び５４は、その一
部７６で重複して同一基板５０上に形成されており、第
４図には、両ホログラム５２及び５４の重複部分７６が
拡大して示されている。そして、第５図には、ホログラ
ム５２（あるいは５４）の重複しない部分が拡大して示
され、ホログラム５２は、複数の同心溝部７８，７８．
・・・と、及び、複数の同心凸部８０．８０．・・・と
、から構成されている。また、第６図には、両ホログラ
ム５２及び５４の凸部の交差部分が拡大して示され、ホ
ログラム５２の凸部８０とホログラム５４の凸部８２と
の交差部分８４では、凸部は相互に切り欠かれた状態と
なっている。なお、交差部分８４は、第３図のＢに対応
する。このように走査ホログラム５２及び結像ホログラ
ム５４の重複部分７６における凸部８０と８２の交差部
分８４はきわめて微小な部分であるため、重複部分７６
は走査ホログラム５２及び結像ホログラム５４としての
作用を充分に発揮する。

また、第２図に示されるように、基板５０は被測定物５
６に対して上下方向、左右方向、及び、前後方向に移動
可能とされており、基板５０には、同様の構造の上下方
向移動手段、左右方向移動手段、及び、前後移動手段が
設けられている。そして、上下方向移動手段は、基板５
０を被測定物５６に対して上下させ、レーザ光の焦点を
合わせるために使用される。また、左右方向移動手段及
び前後方向移動手段は、基板５０を被測定物５６に対し
て左右及び前後に移動させ、被測定物５６の表面５８に
集束されるレーザ光の位置を走査させるために使用され
る。このように、左右方向移動手段及び前後方向移動手
段により基板５０を移動させてレーザ光の集束位置を走
査させるので、第１２図の従来装置と異なり、ミラー６
６は固定されている。

なお、第２図においては、前後方向移動手段が符号８８
で示され、第７図には、−該前後方向移動手段の構造が
示されている。第７図において、前後方向移動手段８８
は、複数のピエゾ素子９０゜９０、・・・を積層したピ
エゾ素子積層体から構成され、ピエゾ素子は、電圧を印
加すると伸縮する素子である。それゆえ、前後方向移動
手段としてのピエゾ素子積層体８８に電圧を印加して該
積層体８８を伸縮させることにより、基板５０を前後に
例えば１０〜２０μｍの範囲で移動させることができる
。

また、第２図においてレンズ６２と光検出部７４との間
には、ピンホール体７０が配置されている。このピンホ
ール体７０により、ノイズ光を排除して被測定物５６の
表面５８の入射レーザ光の集束位置すなわち結像点から
の反射レーザ光のみを光検出部７４で検出することがで
き、測定の精度を大幅に向上させることができる。この
ピンホール体７０の作用を第８図を参照して詳述する。

第８図に示されるように、透明体の被測定物５６に入射
した入射レーザ光９４は、結像点である被測定物５６の
表面で反射されるとともに、被測定物５６を透過してそ
の下部でも反射され、２つの反射レーザ光９６．９８が
生じてしまう、これに対し、ピンホール体７０を使用す
ると、表面（結像点）からの反射レーザ光９６だけを検
出光として透過して光検出部７４に通し、下部からの反
射レーザ光９８をノイズ光として遮断し、光検出部７４
への透過を防ぐことができる。なお、第２図においては
、反射レーザ光のうち、検出光は実線で示され、ノイズ
光は破線で示されており、実線の検出光のみがピンホー
ル体７０のピンホール７２を通って光検出部７４に到達
する。そして、第９図には、このようにして形成された
結像面１００の像１０２が示されている。

次に、第１０．１１図を参照しながら、同一基板５０上
に走査ホログラム５２及び結像ホログラム５４を形成す
る方法について説明する。

第１０図には、走査ホログラムを形成する工程が示され
ている。

第１０図において、レーザ発生器１０４からのレーザ光
は、ビームスプリッタ１０６で２つに分割され、一方の
レーザ光は、対物レンズ１０８及び基板（感光体）５０
に対して固定位置にあるピンホール体１１０のピンホー
ル１１２（直径１μｍ以下）を通って、基板５０に入射
し、他方のレーザ光は、ビーム拡大器１１４及びミラー
１１６を介して、基板５０に入射する。ここで対物レン
ズ１０８は走査レンズとして必要な開口数ＮＡ（０，８
〜０．９）を有するレンズが使用される。そして、ピン
ホール体のピンホール１１２で回折した一方のレーザ光
（物体光）と、ミラー１１６からの他方レーザ（参照光
）とが干渉し、この結果、基板５０上に走査ホログラム
５２が形成される。なお、基板５０のうち結像ホログラ
ム５４が形成される領域には、レーザ光が入らないよう
に、マスク１１８が設置されている。

第１１図には、基板上に走査ホログラムを形成した後に
結像ホログラムを形成する工程が示されている。

第１１図において、基板５０のうち走査ホログラム５２
が形成された領域にレーザ光が入らないようにマスク１
１８を設置する。そして、ホログラム形成装置をピンホ
ール体１１０に対して前記第１０図の状態と対称の状態
に配置し、ピンホール体１１０からの回折したレーザ光
（物体光）とミラー１１６からのレーザ光（参照光）と
の干渉により、基板５０上に結像ポログラム５４が形成
される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、走査レンズ及び
結像レンズを用いることなく、同一基板上に形成された
走査ホログラム及び結像ホログラムから構成しているの
で、両レンズの物理的干渉に影響されることなく接近し
て設置することができる。それゆえ、従来、物理的干渉
のため使用できなかった開口数の大きいレンズもホログ
ラムとして使用するため接近して設置することが可能で
ある。

また、本発明によれば、同一基板上に２つのホログラム
を形成しているので、両ホログラム相互間の位置ずれを
防止でき、測定精度の向上が図られる。更に、２つのホ
ログラムの形成位置を調整することにより、入射レーザ
光及び反射レーザ光の方向を変更することができ、これ
により、光学的設計の自由度が増大する。

また、同一基板上に２つのホログラムを一部重複して形
成することも可能であり、このように両ホログラムを一
部重複して形成する場合には、開口数の更に大きいレン
ズのホログラムを使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理説明図、 第２図は、本発明の実施例による表面形状測定装置の構
成説明図、 第３図は、同一基板上に形成された走査ホログラム及び
結像ホログラムの説明図、 第４図は、走査ホログラム及び結像ホログラムの重複部
分の拡大図、 第５図は、ホログラムの同心溝部及び同心凸部の拡大断
面斜視図、 第６図は、両ホログラムの凸部の交差部分の拡大断面斜
視図、 第７図は、ピエゾ素子積層体の構成説明図、第８図は、
透明体の表面及び下部でのレーザ光の反射を示す図、 第９図は、結像面の像を示す図、 第１０図は、基板上への走査ホログラムの形成工程を示
す図、 第１１図は基板上への結像ホログラムの形成工程を示す
図、 第１２図は、従来の表面形状測定装置の構成説明図、 第１３図は走査レンズ及び結像レンズの開口数を説明す
るための図である。 ５０・・・基板、 ５２・・・走査レンズとしての走査ホログラム、５４・
・・結像レンズとしての結像ホログラム、５６・・・被
測定物、 ５８・・・被測定物の表面。 本発明の原理書莞明図 茶１因 同−４罹とに４４成さ社だ 乏を爪ログラム及び゛絆穐ホロ７２ムの説明３某３　図 第 国 茶 θ 蓼 民 蟇ｉ上への紡イ亀ホログ之ムの 形成びｌ小寸２ 第Ｈ已 定量レンス°°屋９゛系ト像レン２′の開口軟芝説明ｔ
５ための因 第１３　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光発生部からの入射光を被測定物（５６）に照射し
   、前記被測定物（５６）で反射された反射光を光検出部
   により検出し、前記反射光に対応する検出信号に基づい
   て前記被測定物（５６）の表面形状を測定する装置にお
   いて、 前記入射光を前記被測定物（５６）に方向付ける走査ホ
   ログラム（５２）と、前記反射光を前記光検出部に方向
   付ける結像ホログラム（５４）とを同一基板（５０）上
   に形成したことを特徴とする表面形状測定装置。 ２、前記入射光の結像点において反射された反射光の結
   像面にピンホール体を設置したことを特徴とする請求項
   １記載の表面形状測定装置。