(57)【要約】【課題】  三次元構造物の位置や形状について被対象物の面の傾きや表面の状態（荒さ) に影響されない光学的な測定装置を提供する。【解決手段】  本発明は、共焦点光学系により被測定対象物からの反射光を検知する第一の光検知手段に加え、被測定対象物を覆うように取り付けた放物面反射ミラーと、放物面反射ミラーの放物面からの光を集光する集光レンズ、光の収束位置に設けられたピンホール、およびピンホールを介した光を検知する光量検知器から構成される第二の光検知手段を備え、第一の光検知手段の集光範囲を超えた光を検知することを特徴とする。【選択図】図１
2010122193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象物の位置及び形状を測定する三次元構造物の形状測定装置であって、
共焦点光学系により被測定対象物からの反射光を検知する第一の光検知手段と、
前記被測定対象物を覆うように取り付けた放物面反射ミラーと、
前記放物面反射ミラーの放物面からの光を集光する集光レンズ、
該集光レンズで集光される光の収束位置に設けられたピンホール、
および該ピンホールを介した光を検知する光検知器から形成され、前記第一の光検知手段の集光範囲を超えた光を検知する第二の光検知手段と、
を有することを特徴とする三次元構造物の形状測定装置。
【請求項２】
前記第二の光検知手段の代わりに、第一の光検知手段における共焦点光学系に近接して、前記放物面反射ミラーの開口端部にドーナツ型の平面ミラーを前記放物面反射ミラーからの反射光の光軸に対して垂直に取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の三次元構造物の形状測定装置。
【請求項３】
前記第二の光検知手段の代わりに、前記共焦点光学系の上部に、測定用光源及び該測定用光源からの光を平行光に変換して前記被測定対象物に照射するコリメータレンズを取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の三次元構造物の形状測定装置。
【請求項４】
前記第二の光検知手段の集光レンズ及びピンホールの代わりに、前記放物面反射ミラーから反射された光の内、平行光のみを透過する格子状方向性の光学フィルタ及びリング状検知器を設け、前記被測定対象物から前記第一の光検知手段の対物レンズに戻らない光を検出することを特徴とする請求項１に記載の三次元構造物の形状測定装置。
【請求項５】
前記格子状方向性の光学フィルタは、細長い直線状のパイプを束ねて筒状にした微細パイプ構造、またはリング状の格子パターンを同軸上に多段に重ねた多段格子構造としたことを特徴とする請求項４に記載の三次元構造物の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元構造物の位置や形状について被対象物の面の傾きや表面の状態（荒さ) に影響されない光学的な測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被対象物の位置および形状を精度良く計測する方法の代表例として共焦点法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７に、共焦点法による被測定対象物の形状測定に関する従来例を示す。共焦点光学系１０１は、ＸＹＺ軸方向及びチルト角方向に移動可能なステージ１０９上に搭載された被測定対象物１０８に光を照射するための光源１０２と、被測定対象物１０８からの反射光を集光する対物レンズ１０３と、さらに、レンズ１０５を通った光の収束位置に配置されたピンホール１０６と、ピンホール１０６を通過した光を検知する光検知器１０７とから構成されている。ここで、ピンホール１０６は、ピントが合った位置以外からのノイズとなる光を除去するために挿入されている。そして、ステージ１０９をＸＹＺ軸方向及びチルト角方向に順次移動させることによって、被測定対象物１０８の位置座標を特定し、三次元構造物の位置や形状を測定している。
【０００４】
しかし、上記共焦点法による計測方法では、被測定対象物の測定面の傾き角が大きなものの測定が困難であり、被測定対象物の測定面を測定できる範囲の角度にするための特別な機構が必要となる。また、光が散乱する被測定対象物の測定面は、測定に十分な光量が対物レンズに戻らないため、測定精度が低下するなどの問題がある。
【０００５】
これに対し、図８の従来例に示すように、被測定対象物１０８において散乱する反射光を有効に集めるため、共焦点光学系１０１の対物レンズ１０３をカバーするように球面反射ミラー１１１を配置する構成が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平０２−０３１１０３号公報
【特許文献２】特開２００２−３９９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２では、球面反射ミラー１１１のサイズ（半径）が対物レンズの作業スペース以下にする必要があるため、被測定対象物１０８のサイズに制約ができる。また、被測定対象物１０６を球面反射ミラー１１１が覆ってしまうため、被測定対象物１０８のセットが難しく、球面反射ミラー１１１の位置調整も行いにくいなどの問題を抱える。
【０００７】
そこで、本発明では、上述してきた問題を解決するため、共焦点光学系に放物面反射ミラーを加え、既存の対物レンズでは検知できない光を検知できる三次元構造物の形状測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明になる三次元構造物の形状測定装置の一つの実施の態様は、共焦点光学系により被測定対象物からの反射光を検知する第一の光検知手段と、被測定対象物を覆うように取り付けた放物面反射ミラーと、放物面反射ミラーの放物面からの光を集光する集光レンズ、該集光レンズで集光される光の収束位置に設けられたピンホール、および該ピンホールを介した光を検知する光検知器から形成され、第一の光検知手段の集光範囲を超えた光を検知する第二の光検知手段と、を有する装置構成とすることによって、既存の共焦点顕微鏡の構造に光学系・検知系を付加することで、被測定対象物からの散乱光を有効に集めることができ、被測定対象物の測定面の傾き角が大きな場合にも、被測定対象物を傾けなくても測定ができ、被測定対象物の表面状態による測定精度の低下が改善できる。
【発明の効果】
【０００９】
以上、上述した本発明によれば、以下の効果が期待される。
（１）被測定対象物の測定面の傾き角が大きな場合にも、被測定対象物を傾けなくても測定ができる。
（２）被測定対象物の表面状態による測定精度の低下を改善できる。
（３）既存の共焦点顕微鏡の構造に光学系・検知系を付加することで実現できる。
（４）被測定対象物の姿勢を制御する移動機構が削減でき、その制御を簡略化することにより測定時間の短縮化を図ることが可能となる。
（５）対物レンズの作業エリアに依存せず、放物面反射ミラーのサイズが設定できるため、被測定対象物のサイズに対する制約がなくなる。
（６）被測定対象物を放物面反射ミラーが覆っていないため、被測定対象物がセットしやすくなり、また、放物面反射ミラーの位置調整の作業も行いやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面にもとづいて本発明の実施形態を説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の実施の形態になる三次元構造物の形状測定の構成例１（放物面ミラー付加による集光の基本構成）を示す。
【００１１】
本発明の三次元構造物の形状測定装置は、共焦点光学系１によりＸＹＺ軸方向に移動可能なステージ９上に搭載された被測定対象物８からの反射光を検知する第一の光検知手段と、被測定対象物８が覆うように取り付けられた放物面反射ミラー１０と、放物面反射ミラー１０の放物面からの光を集光する集光レンズ１１、該集光レンズ１１で集光される光の収束位置に設けられたピンホール１２、および該ピンホール１２を介した光を検知する光検知器１３から構成され、第一の光検知手段で集光する範囲を超えた光について検知する第二の光検知手段と、光検知器（７、１３）の出力信号を処理するとともに、連続測定のために、順次、ステージ９をＸＹＺ軸方向に移動させる制御部２０とから構成されている。
【００１２】
また、共焦点光学系１（第一の光検知手段）は、測定用の光源２、光源２からの光を被測定対象物８側にスプリットさせるハーフミラー４、焦点に位置する測定対象物８に光を絞って照射し、測定対象物８からの反射光を集光する対物レンズ３、ハーフミラー４、レンズ５、集光された光の収束位置に配置されたピンホール６、および該ピンホール６を介した光を検知する光検知器７から構成されている。
【００１３】
ここで、第一の光検知手段におけるピンホール６および第二の光検知手段におけるピンホール１２は、いずれも、光検出器７および光検出器１３の前のそれぞれの焦点と共役の位置に配置され、焦点位置から散乱光だけが検知される構成となっている。こうしたピンホールの挿入によって、ボケた像の原因となる上下方向の光が遮断され、焦点の合った部分のみの散乱光を拾うことが可能となる。
【００１４】
実施例１における形状測定装置の測定手順を以下に説明する。
（１）放物面反射ミラー１０は、被測定対象物８を覆うように取り付け、該放物面反射ミラー１０の焦点と第一の光検出手段の対物レンズ３の焦点位置とが一致するように配置する。
【００１５】
被測定対象物８から反射光の角度が対物レンズ３の集光角の範囲を超えた場合、被測定対象物８からの反射光は、放物面反射ミラー１０に向かって反射される。測定点が放物面反射ミラー１０の焦点位置にある場合、放物面反射ミラー１０から反射した光は、放物面反射ミラー１０の光軸と平行となる。さらに、放物面反射ミラー１０により、再度、反射された光は、集光レンズ１１により集光される。
なお、測定点が放物面反射ミラー１０の焦点位置にある場合、第一の光検知手段の光検知器７と第二の光検知手段の光検知器１３からの信号の強度は最大となる。
【００１６】
（２）制御部２０は、第一の光検知手段の光検知器７および第二の光検知手段の光検知器１３の出力信号を比較して大きい方の値を採用する。また、被測定対象物８の形状を連続的に測定するために、ＸＹＺの３軸方向に移動可能なステージ９を用いて被測定対象物８を移動させる。
【００１７】
このように、被測定対象物８を順次移動させ、測定系において規定された測定点の座標を移動機構から読み取ることによって、被測定対象物８の形状を測定する。
【００１８】
以上の発明により、既存の共焦点顕微鏡の構造に光学系・検知系を付加することによって、被測定対象物からの散乱光を有効に集めることが可能となり、被測定対象物の測定面の傾き角が大きくなっても、被測定対象物を傾ける必要はなく、被測定対象物の表面状態による測定精度の低下を防ぐことができる。
（実施例２）
図２は、本発明の実施の形態になる三次元構造物の形状測定の構成例２（放物面ミラーとドーナツ型平面ミラーによる集光）を示す。
【００１９】
実施例２は、実施例１における第二の光検知手段（集光レンズ１１、ピンホール１２、および光検知器１３）の代わりに、ドーナツ型平面反射ミラー１４を設け、放物面反射ミラー１０で反射した光を、再び、被測定対象物８の元の位置に戻し、被測定対象物８からの反射光を第一の光検知手段の光検知器７によって検知し、測定することを可能としたものである。
【００２０】
ドーナツ型平面反射ミラー１４は、第一の光検知手段における共焦点光学系１に近接して、放物面反射ミラー１０の開口端部に共焦点光学系１を囲むように、ドーナツ状に中心を刳り貫いた形状とし、放物面反射ミラー１０からの反射光の光軸に対して垂直に取り付けられている。
【００２１】
実施例２における形状測定装置の測定手順を以下に説明する。
（１）実施例１と同様に、放物面反射ミラー１０は、被測定対象物８を覆うように取り付け、該放物面反射ミラー１０の焦点と第一の光検出手段の対物レンズ３の焦点位置とが一致するように配置する。
（２）放物面反射ミラー１０の上部にドーナツ型平面反射ミラー１４を取り付ける。
（３）ドーナツ型平面反射ミラー１４は、放物面反射ミラー１０からの反射光の光軸に対して垂直に取り付ける。
【００２２】
被測定対象物８から反射した光の角度が対物レンズ３の集光角の範囲を超えた場合、放物面反射ミラー１０→ドーナツ型平面反射ミラー１４の順で反射し、再び、放物面反射ミラー１０で反射して被測定対象物８の元の位置に戻る。
【００２３】
そして、被測定対象物８で反射した光は、対物レンズ３、ハーフミラー４、レンズ５、およびピンホール６を通り光検出器７により検知される。
（実施例３）
図３は、本発明の実施の形態になる三次元構造物の形状測定の構成例３（放物面ミラーとコリメータレンズによる集光）を示す。
【００２４】
実施例３は、実施例１における第二の光検知手段（集光レンズ１１、ピンホール１２、および光検知器１３）の代わりに、共焦点光学系１の上部に、測定用の光源１５及び該光源１５からの光を平行光に変換して被測定対象物８に照射するコリメータレンズ１６を取り付けた構成とし、第一の光検知手段の対物レンズ３の集光角を越えた角度から被測定対象物８に光を照射することによって三次元構造物の形状測定を可能にするものである。
【００２５】
実施例３における形状測定装置の測定手順を以下に説明する。
（１）実施例１と同様に、実施例１と同様に、放物面反射ミラー１０は、被測定対象物８を覆うように取り付け、該放物面反射ミラー１０の焦点と第一の光検出手段の対物レンズ３の焦点位置とが一致するように配置する。
（２）共焦点光学系１の上部に、測定用の光源１５とコリメータレンズ１６を配置し、コリメータレンズ１６によって作り出された平行光を放物面反射ミラー１０の光軸と平行になるように照射する。放物面反射ミラー１０で反射した光は、測定点（対物レンズ３の焦点位置）で集光される。
【００２６】
そして、被測定対象物８で反射した測定用の光源２の光が、被測定対象物８の形状によって対物レンズ３の集光角を越えた場合は、放物面反射ミラー１０で反射した測定用の光源１５の光が、被測定対象物８で反射し、対物レンズ３を介して光検知器７によって検知される。なお、被測定対象物８の形状の連続的な測定方法は、実施例１と同様である。
（実施例４）
図４は、本発明の実施の形態になる三次元構造物の形状測定の構成例４（格子状フィルタとリング状検知器による集光）を示す。
【００２７】
実施例４は、実施例１の共焦点光学系１に、放物面反射ミラー１０から反射された光の内、放物面反射ミラー１０の光軸に平行な光のみを透過する格子状方向性の光学フィルタ１７とリング状検知器１８を付加し、対物レンズ３で集光することの出来ない反射光を検知するものである。
【００２８】
実施例４における形状測定装置の測定手順を以下に説明する。
（１）実施例１と同様に、実施例１と同様に、放物面反射ミラー１０は、被測定対象物８を覆うように取り付け、該放物面反射ミラー１０の焦点と第一の光検出手段の対物レンズ３の焦点位置とが一致するように配置する。
【００２９】
格子状方向性の光学フィルタ１７には、細長い直線状のパイプ（多角柱）を束ねて筒状にしたもの（図５参照）と、リング状の格子パターンを同軸上に多段重ねたもの（図６参照）とがある。
【００３０】
被測定対象物８から反射光の角度が対物レンズ３の集光角の範囲を超えた場合、被測定対象物８からの反射光は、放物面反射ミラーに向かって反射される。
【００３１】
（２）放物面反射ミラー１０により再度反射された光は、格子状方向性の光学フィルタ１７を通過し、リング状検知器１８により検知される。
ここで、測定点が放物面反射ミラー１０の焦点位置にある場合、放物面反射ミラー１０から反射した光は、放物面反射ミラー１０の光軸に平行となる。
【００３２】
測定点が放物面反射ミラー１０の焦点位置にある場合、光検知器７とリング状検知器１８における信号強度は最大となる。
【００３３】
なお、被測定対象物８の形状の連続的な測定方法は、実施例１と同様である。
【００３４】
図５は、本発明の実施の形態になる格子状方向性光学フィルタ例１（微細パイプ型構造）を示す。本例は、実施例４における格子状方向性光学フィルタの具体的な構造例として微細パイプ型構造を適用した例を示している。図５の（ａ）は、微細パイプ型の光学フィルタ１６における被測定対象物８からの反射光の透過の仕組みを示し、図５の（ｂ）は、微細パイプ型の光学フィルタ１６の構造例を示している。
【００３５】
図５に示すように、微細なパイプに添って平行に進む光は、そのままパイプを透過し、斜めに入射する光は、側壁にぶつかって減衰する構造となっている。
【００３６】
図６は、本発明の実施の形態になる格子状方向性光学フィルタ例２（多段格子板型構造）を示す。本例は、実施例４における格子状方向性光学フィルタの具体的な構造例として多段格子板型構造を適用した例を示している。図６の（ａ）は、多段格子板型の光学フィルタ１６における被測定対象物８からの反射光の透過の仕組みを示し、図５の（ｂ）は、多段格子板型の光学フィルタ１６の構造例を示している。
【００３７】
図６に示すように、多段格子の配列に直角方向に進む光だけを透過させ、斜めに入射する光を格子に衝突させて減衰させる構造となっている。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態になる三次元構造物の形状測定の構成例１（放物面ミラー付加による集光の基本構成）を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態になる三次元構造物の形状測定の構成例２（放物面ミラーとドーナツ型平面ミラーによる集光）を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態になる三次元構造物の形状測定の構成例３（放物面ミラーとコリメータレンズによる集光）を示すである。
【図４】本発明の実施の形態になる三次元構造物の形状測定の構成例４（格子状フィルタとリング状検知器による集光）を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態になる格子状方向性光学フィルタ例１（微細パイプ型構造）を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態になる格子状方向性光学フィルタ例２（多段格子板型構造）を示す図である。
【図７】従来の測定構成例（その１−共焦点法）を示す図である。
【図８】従来の測定構成例（その２−共焦点法＋球面反射ミラー）を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  光検知器
２  ピンホール
３  レンズ
４  ハーフミラー
５  対物レンズ
６  被測定対象物
７  共焦点光学系
８  光源
９  ステージ
１０  放物面反射ミラー
１１  レンズ
１２  ピンホール
１３  光検知器
１４  ドーナツ型平面ミラー
１５  光源
１６  コリメータレンズ
１７  格子状フィルタ
１８  リング状検知器
２０  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010122193.tif 000007
【図６】
2010122193.tif 000008
【図７】
2010122193.tif 000009
【図８】
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