(57)【要約】 【課題】  外乱光がある場合でも正確な焦点合わせを行うフォーカスサーボ装置を提供する。【解決手段】  フォーカス信号ＳＦに基づいて対物レンズを合焦位置に制御する。信号処理部２３０は、フォーカス信号ＳＦと受光量信号ＳＡＢを出力する。光量レベル比較部４１０において受光量信号ＳＡＢを光量レベル閾値４２１に比較する。受光量信号ＳＡＢが光量レベル閾値４２１を下回ったときには制御動作を中止する。信号レベル比較部４５０においてフォーカス信号ＳＦのレベルをフォーカス信号レベル閾値４５１と比較する。フォーカス信号ＳＦが閾値を超えた場合には、焦点合わせ制御部３２０により焦点合わせを行う。【選択図】  図２
2006294124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検面に向けて光を照射するとともに前記被検面に対して光軸に沿った方向で相対移動可能である対物レンズと、
前記対物レンズと前記被検面とをこの対物レンズの光軸に沿った方向で相対移動させる第１移動手段と、
前記被検面からの反射光を受光して得られる受光信号を処理して前記被検面が前記対物レンズの焦点位置からずれたずれ量に応じてレベルが変化するフォーカス信号を生成する受光信号処理手段と、
前記フォーカス信号に基づいて前記第１移動手段を駆動制御して前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に制御する駆動制御手段と、
を具備するフォーカスサーボ装置において、
前記フォーカス信号を監視するフォーカス信号監視手段を備え、
前記フォーカス信号監視手段は、前記フォーカス信号の信号レベルを所定のフォーカス信号レベル閾値と比較して前記フォーカス信号が前記フォーカス信号レベル閾値を超えた場合にレベル超過信号を出力する信号レベル比較手段を有する
ことを特徴とするフォーカスサーボ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のフォーカスサーボ装置において、
前記駆動制御手段は、
前記フォーカス信号が前記フォーカス信号レベル閾値を超えないサーボエリアにおいて前記フォーカス信号が前記合焦位置を示す信号値からずれたずれ量に基づいて前記対物レンズと前記被検面とを合焦位置に制御するサーボ制御部と、
前記フォーカス信号に基づいて合焦位置をサーチするとともに前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に引き込む焦点合わせ制御部と、を備え、
前記フォーカス信号監視手段は、前記信号レベル比較手段からのレベル超過信号に応じて前記焦点合わせ制御部に動作開始を指令する焦点合わせ開始指令部を有する
ことを特徴とするフォーカスサーボ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかに記載のフォーカスサーボ装置において、
前記受光信号処理手段は、さらに、前記受光信号の大きさを示す受光量信号を出力し、
前記受光量信号のレベルを監視する光量レベル監視手段を備え、
前記光量レベル監視手段は、前記受光量信号の信号レベルを所定の光量レベル閾値と比較して前記受光量信号が所定の時間継続して前記所定の光量レベル閾値未満である場合に光量レベル不足信号を出力する光量レベル比較手段を有する
ことを特徴とするフォーカスサーボ装置。
【請求項４】
請求項３に記載のフォーカスサーボ装置において、
前記光量レベル監視手段は、前記光量レベル比較手段からのレベル不足信号に応じて前記駆動制御手段における制御動作の中止を指令する制御中止指令部を備える
ことを特徴とするフォーカスサーボ装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のフォーカスサーボ装置と、
前記被検面と前記対物レンズとを前記対物レンズの光軸に略垂直な方向で相対移動させる第２移動手段と、を備え、
前記第１移動手段による光軸に沿った前記対物レンズと前記被検面との相対移動量を前記第２移動手段による光軸に略垂直方向での前記対物レンズと前記被検面との相対移動量に関連づけて記憶することにより前記被検面の表面形状を測定する
ことを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の表面形状測定装置において、
前記駆動制御手段は、
前記信号レベル比較手段からの前記レベル超過信号に応じて前記第２移動手段による前記対物レンズと前記被検面との相対移動速度を低下させる第２移動速度調整手段を備える
ことを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項７】
前記被検面を撮像する撮像手段および前記被検面を照明する照明手段を有する画像測定装置と、
請求項６に記載の表面形状測定装置と、
を備えた複合測定装置。
【請求項８】
被検面に向けて光を照射するとともに前記被検面に対して光軸に沿った方向で相対移動可能である対物レンズを駆動制御して前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に制御するフォーカスサーボ制御方法において、
前記被検面からの反射光を受光して得られる受光信号を処理して前記被検面が前記対物レンズの焦点位置からずれたずれ量に応じてレベルが変化するフォーカス信号を生成する受光信号処理工程と、
前記フォーカス信号に基づいて前記対物レンズと前記被検面とをこの対物レンズの光軸に沿った方向で相対移動させて前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に制御する駆動制御工程と、
前記フォーカス信号を監視するフォーカス信号監視工程と、を備え、
前記フォーカス信号監視工程は、前記フォーカス信号の信号レベルを所定のフォーカス信号レベル閾値と比較して前記フォーカス信号が前記フォーカス信号レベル閾値を超えた場合にレベル超過信号を出力する信号レベル比較工程を有する
ことを特徴とするフォーカスサーボ制御方法。
【請求項９】
請求項８に記載のフォーカスサーボ制御方法において、
前記駆動制御工程は、
前記フォーカス信号が前記フォーカス信号レベル閾値を超えないサーボエリアにおいて前記フォーカス信号が前記合焦位置を示す信号値からずれたずれ量に基づいて前記対物レンズと前記被検面とを合焦位置に制御するサーボ制御工程と、
前記フォーカス信号に基づいて合焦位置をサーチするとともに前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に引き込む焦点合わせ制御工程と、を備え、
前記フォーカス信号監視工程は、前記信号レベル比較工程によるレベル超過信号に応じて前記焦点合わせ制御工程を開始させる焦点合わせ開始指令工程を有する
ことを特徴とするフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載のフォーカスサーボ制御方法において、
前記受光信号処理工程は、さらに、前記受光信号の大きさを示す受光量信号を出力し、
前記受光量信号のレベルを監視する光量レベル監視工程を備え、
前記光量レベル監視工程は、前記受光量信号の信号レベルを所定の光量レベル閾値と比較して前記受光量信号が所定の時間継続して前記所定の光量レベル閾値未満である場合に光量レベル不足信号を出力する光量レベル比較工程を有する
ことを特徴とするフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のフォーカスサーボ制御方法において、
前記光量レベル監視工程は、前記光量レベル比較工程からの光量レベル不足信号に応じて制御動作の中止を指令する制御中止指令工程を備える
ことを特徴とするフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１２】
被検面に向けて光を照射するとともに前記被検面に対して光軸に沿った方向で相対移動可能である対物レンズを駆動制御して前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に制御するフォーカスサーボ制御装置にコンピュータを組み込んで、このコンピュータを、
前記被検面からの反射光を受光して得られる受光信号を処理して前記被検面が前記対物レンズの焦点位置からずれたずれ量に応じてレベルが変化するフォーカス信号を生成する受光信号処理手段と、
前記フォーカス信号に基づいて前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に制御する駆動制御手段と、
前記フォーカス信号の信号レベルを所定のフォーカス信号レベル閾値と比較して前記フォーカス信号が前記フォーカス信号レベル閾値を超えた場合にレベル超過信号を出力する信号レベル比較手段と、して機能させる
ことを特徴とするフォーカスサーボ制御プログラム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のフォーカスサーボ制御プログラムにおいて、
前記受光信号処理手段は、さらに、前記受光信号の大きさを示す受光量信号を出力し、
前記コンピュータをさらに、
前記受光信号の信号レベルを所定の光量レベル閾値と比較して前記受光信号が所定の時間継続して前記所定の光量レベル閾値未満である場合に光量レベル不足信号を出力する光量レベル比較手段として機能させる
ことを特徴とするコンピュータ読取り可能なフォーカスサーボ制御プログラム。
【請求項１４】
請求項１２または請求項１３に記載のフォーカスサーボ制御プログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォーカスサーボ装置、フォーカスサーボ制御方法、表面形状測定装置、複合測定装置、フォーカスサーボ制御方法、フォーカスサーボ制御プログラム、およびこのプログラムを記録した記録媒体に関する。
例えば、フォーカス信号に基づいて対物レンズを合焦位置に制御するフォーカスサーボ装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フォーカスサーボ機構が知られ（例えば特許文献１、特許文献２）、フォーカスサーボ機構を利用して対物レンズと被検面との距離を対物レンズの焦点距離に制御することにより、被検面の表面凹凸等を測定する表面形状測定装置が知られている。
さらに、図８に示されるように、フォーカスサーボ機構による表面形状測定装置２００に加えて、ＣＣＤカメラ６２０により撮像した画像から被検面の表面パターンを検査する画像測定装置６００を併せ持つ複合測定装置１００が知られている。
【０００３】
表面形状測定装置２００は、図８に示されるように、上下動可能に設けられた対物レンズ２１３を通して光を被検面Ｗに照射しながら被検面Ｗを走査する光学系機構部２１０と、被検面Ｗからの反射光を受光して受光信号を出力する受光部２２０と、受光部２２０からの受光信号を処理して対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離に応じてＳ字状に変化するフォーカス信号ＳＦ（図９参照）を生成する信号処理部２３０と、フォーカス信号ＳＦに基づいて対物レンズ２１３を合焦位置に駆動制御する駆動制御部５００と、測定対象物が載置されるとともに水平方向に移動可能に設けられた移動ステージ２５０と、を備えて構成されている。
【０００４】
光学系機構部２１０は、光源２１１と、光源２１１からの光を平行光にするコリメータレンズ２１２と、コリメータレンズ２１２からの平行光を被検面Ｗに向けて照射する対物レンズ２１３と、対物レンズ２１３を上下動させるアクチュエータ２１４と、対物レンズ２１３の変位を検出する変位検出手段２１５と、を備えている。
ここで、変位検出手段２１５は、対物レンズ２１３の外縁部において対物レンズ２１３の可動方向と平行に付設されたスケール２１６と、このスケール２１６の変位を検出してパルス信号を出力する検出ヘッド部２１７と、を備えている。
【０００５】
受光部２２０は、被検面Ｗからの反射光を二光束に分割するとともに、ピンホール２２２Ａ、２２２Ｂを通して分割された各光束を受光素子２２３Ａ、２２３Ｂで受光する構成である。
ここで、二つのピンホール２２２Ａ、２２２Ｂは、一方の光束に対しては焦点前に配置され、他方の光束に対しては焦点後に配置されている。
なお、被検面Ｗからの反射光は、対物レンズ２１３およびコリメータレンズ２１２を照射光とは逆に進んで受光部２２０に入射するところ、被検面Ｗが対物レンズ２１３の焦点位置よりも遠くなった場合には被検面Ｗからの反射光が焦点の手前で結像し、被検面Ｗが対物レンズ２１３の焦点位置よりも近くなった場合には被検面Ｗからの反射光が焦点よりも後ろ側で結像する。したがって、焦点の前後に配置されたピンホール２２２Ａ、２２２Ｂを通過する光量が対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離に応じてそれぞれ変化する。
【０００６】
信号処理部２３０は、二つの受光素子２２３Ａ、２２３Ｂから出力される受光信号Ａ、Ｂに対し、これらの差（２３１）と和（２３２）とを生成したのち、前記差を前記和で除算（２３３）することによりＳ字状のフォーカス信号ＳＦを生成する。
図９に、フォーカス信号ＳＦを示す。フォーカス信号ＳＦは、対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離が焦点距離に等しいときにゼロクロス値Ｐ０を示し、対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離が焦点距離からずれるに従って急峻に変化してＳ字状のカーブを描く。
【０００７】
駆動制御部５００は、変位検出手段２１５の検出ヘッド部２１７からのパルス信号をカウントするカウンタ５１０を有し、このカウンタ５１０のカウント値から対物レンズ２１３の位置を検出しつつ、フォーカス信号ＳＦに基づいて被検面Ｗの位置が焦点位置になるようにアクチュエータ２１４によって対物レンズ２１３を移動させる。すなわち、フォーカス信号ＳＦをゼロクロスポイントＰ０へ引き込むように対物レンズ２１３を合焦位置に制御している。
【０００８】
画像測定装置６００は、被検面Ｗを照明する照明手段６１０と、被検面Ｗを撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ６２０と、を備えている。
【０００９】
このような構成において、移動ステージ２５０に測定対象物を載置する。そして、移動ステージ２５０により測定対象物を光学系機構部２１０に対して相対移動させて光学系機構部２１０により被検面Ｗを走査する。このとき、被検面Ｗに焦点を合わせるように対物レンズ２１３を（上下方向に）移動させて、このときの対物レンズ２１３の移動量から被検面Ｗの凹凸（形状）を測定することができる。
また、ＣＣＤカメラ６２０により被検面Ｗを撮像し、この撮像画像からパターンマッチングやエッジ検出などが行われる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−３６７１９４号公報
【特許文献２】特開２００３−１２３２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
フォーカスサーボ機構による表面形状に測定に加えて画像測定を行うので、画像測定用の光源（照明手段）６１０から発射される光も対物レンズ２１３を通して受光部２２０で受光されることとなる。
すると、照明手段６１０からの光のために、図１０に示されるように、フォーカス信号ＳＦのＳ字形状の裾野に本来のゼロクロスポイントＰ０とは異なる偽のゼロクロスポイントＰ１が現れることとなる。
通常、ゼロクロスポイントＰ０付近で制御が行われているので、偽のゼロクロスポイントＰ１の存在は問題とはならない。
【００１２】
しかしながら、被検面Ｗの段差部などで被検面Ｗの凹凸が大きく変化する場合には、被検面Ｗと対物レンズ２１３との距離が焦点距離から大きくずれてしまい、フォーカス信号ＳＦのＳ字カーブ領域を超えてしまうことがある。
このとき、駆動制御部５００においてゼロクロスポイントＰ０への引き込みを行っているところ、場合によっては、偽のゼロクロスポイントＰ１へ合焦してしまう問題が生じる。このとき、本来のゼロクロスポイントではないものの、信号処理上はゼロクロスポイントに位置しているので、もはや偽のゼロクロスポイントＰ１から抜け出すことはできないという問題が生じる。
その結果、対物レンズ２１３を本来の合焦位置に制御できず、被検面Ｗの形状を誤って測定することになるという問題が生じる。
【００１３】
本発明の目的は、外乱光がある場合でも正確な焦点合わせを行うフォーカスサーボ装置、フォーカスサーボ制御方法、フォーカスサーボ制御プログラム、このプログラムを記録した記録媒体、および、外乱光がある場合でも正確に被検面を測定できる表面形状測定装置、複合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】
【００１４】
本発明のフォーカスサーボ装置は、被検面に向けて光を照射するとともに前記被検面に対して光軸に沿った方向で相対移動可能である対物レンズと、前記対物レンズと前記被検面とをこの対物レンズの光軸に沿った方向で相対移動させる第１移動手段と、前記被検面からの反射光を受光して得られる受光信号を処理して前記被検面が前記対物レンズの焦点位置からずれたずれ量に応じてレベルが変化するフォーカス信号を生成する受光信号処理手段と、前記フォーカス信号に基づいて前記第１移動手段を駆動制御して前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に制御する駆動制御手段と、を具備するフォーカスサーボ装置において、前記フォーカス信号を監視するフォーカス信号監視手段を備え、前記フォーカス信号監視手段は、前記フォーカス信号の信号レベルを所定のフォーカス信号レベル閾値と比較して前記フォーカス信号が前記フォーカス信号レベル閾値を超えた場合にレベル超過信号を出力する信号レベル比較手段を有することを特徴とする。
【００１５】
この構成において、対物レンズと被検面との距離を対物レンズの焦点距離に制御する。
このとき、対物レンズを通して光が被検面に照射され、この光が被検面により反射される。
被検面からの反射光を受光した受光信号が受光信号処理手段で処理されてフォーカス信号が生成される。
フォーカス信号は、対物レンズと被検面との距離に応じて変化する信号であり、例えば、対物レンズと被検面との距離の変化に伴ってＳ字状に変化するとともに対物レンズと被検面との距離が焦点距離であるときにゼロクロスするような信号である。
このようなフォーカス信号により対物レンズと被検面とが焦点距離からずれていることが認識されるところ、駆動制御手段により第１移動手段が制御されて対物レンズと被検面とが焦点距離に制御される。
【００１６】
ここで、フォーカス信号は、対物レンズと被検面とが焦点距離からずれたずれ量に応じて変化するところフォーカス信号には正確な合焦位置を検出可能な範囲があって、このような焦点検出可能範囲を超えてしまうと本来の合焦位置に復帰（制御）できない事態も生じうる。
例えば、Ｓ字状に変化するフォーカス信号にあってはゼロクロスポイントから信号レベルが単調に増加あるいは減少する領域であれば正確なゼロクロスポイントへ向けた制御が可能であるが、Ｓ字の山を越えてしまうと真性のゼロクロスポイントに簡単には復帰できず、さらには、Ｓ字領域を外れた点に偽のゼロクロスポイントがあると、偽のクロスポイントへ合焦制御してしまうなどの不都合も生じる。
この点、フォーカス信号のレベルが信号レベル比較手段において所定の閾値（フォーカス信号レベル閾値）と比較され、レベル超過信号が出力されることによりフォーカス信号が焦点検出可能範囲を超えたあるいは超えるおそれがあることが認識される。
すると、通常は、焦点検出可能範囲で対物レンズと被検面との距離をフォーカス信号に基づいて合焦制御しつつ、フォーカス信号が合焦を示す値（例えばゼロクロスポイント）から大きくずれすぎて真性の合焦制御ができない場合には、これをレベル超過信号により認識して誤った制御動作（誤った合焦制御）が行われるのを事前に回避することができる。
【００１７】
このような構成によれば、フォーカス信号のレベルを監視して、正しく制御できる範囲において制御動作を行うので、誤った動作が行われることを未然に防ぐことができる。その結果、正しい合焦制御が可能となり、また、誤った合焦制御を継続し続けるといった事態を防止することができる。
また、フォーカス信号を監視してレベルが超過したことを認識できるので、例えば、ずれ量に応じて急峻に変化し焦点検出範囲が狭いフォーカス信号であっても、狭い焦点検出可能範囲に入っていること認識しつつ正確な合焦制御を行うことができる。このように急峻に変化するフォーカス信号を用いることができれば、ずれ量に対する大きな信号変化に基づいて合焦制御を素早く正確に行うことができる。
【００１８】
ここで、本発明では、前記フォーカス信号は、合焦位置でゼロクロス信号値であるとともにずれ量に応じてＳ字状に変化する信号であり、前記フォーカス信号レベル閾値は、ゼロクロスポイントから前記Ｓ字の山までの範囲内で設定されていることが好ましい。
【００１９】
このような構成によれば、フォーカス信号レベル閾値によりＳ字の山を乗り越える、あるいは乗り越えるおそれがあることが認識される。
Ｓ字カーブの山を越えてしまうと、ゼロクロスポイントに向けて単調に増加あるいは減少する信号ではなくなるため単純な制御（例えば信号レベルを位置偏差とするフィードバック制御）では対応できなくなるところ、フォーカス信号レベル閾値によりＳ字の山を越えて単純な制御では対応できないステージに移行したことを認識し、誤った合焦制御が行われることを防ぐことができる。
【００２０】
本発明では、前記駆動制御手段は、前記フォーカス信号が前記フォーカス信号レベル閾値を超えないサーボエリアにおいて前記フォーカス信号が前記合焦位置を示す信号値からずれたずれ量に基づいて前記対物レンズと前記被検面とを合焦位置に制御するサーボ制御部と、前記フォーカス信号に基づいて合焦位置をサーチするとともに前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に引き込む焦点合わせ制御部と、を備え、前記フォーカス信号監視手段は、前記信号レベル比較手段からのレベル超過信号に応じて前記焦点合わせ制御部に動作開始を指令する焦点合わせ開始指令部を有することが好ましい。
【００２１】
このような構成において、フォーカス信号がフォーカス信号レベル閾値を超えないサーボエリアにおいてはサーボ制御部により通常のサーボ制御が行われる。
そして、フォーカス信号がフォーカス信号レベル閾値を超えた場合、信号レベル比較手段からレベル超過信号が出力され、このレベル超過信号に応じて焦点合わせ開始指令部から焦点合わせ制御部に動作開始の指令が与えられる。
すると、焦点合わせ制御部によりフォーカス信号に基づいて合焦位置がサーチされる。例えば、焦点合わせ制御部は、対物レンズと被検面とを光軸方向に所定距離往復移動させて、このときのフォーカス信号の変化から真性の合焦位置をサーチする。そして、このサーチ結果に基づいて焦点合わせ制御部により対物レンズと被検面とが正しい合焦位置に制御される。
このように、フォーカス信号がフォーカス信号レベル閾値を超えた場合には、焦点合わせ制御部により合焦位置への制御を行うので、サーボ制御のまま誤った合焦制御を行うことがなく、正確な合焦制御を行うことができる。
【００２２】
本発明では、前記受光信号処理手段は、さらに、前記受光信号の大きさを示す受光量信号を出力し、前記受光量信号のレベルを監視する光量レベル監視手段を備え、前記光量レベル監視手段は、前記受光量信号の信号レベルを所定の光量レベル閾値と比較して前記受光量信号が所定の時間継続して前記所定の光量レベル閾値未満である場合に光量レベル不足信号を出力する光量レベル比較手段を有することが好ましい。
【００２３】
このような構成において、受光信号処理手段は、合焦位置からのずれを示すフォーカス信号を出力することに加えて、被検面からの反射光のうちから受光できた光量レベルを示すための受光量信号を出力する。
この受光量信号は光量レベル比較手段において所定の閾値（光量レベル閾値）と比較される。そして、受光量信号のレベルが所定時間継続して光量レベル閾値に満たない場合には、レベル不足信号が光量レベル比較手段から出力される。
【００２４】
例えば、被検面の形状が傾斜していた場合には被検面からの反射光量が十分に得られず、フォーカス信号に基づいて合焦位置に制御することが不可能となる場合がある。また、フォーカス信号の焦点検出可能領域を超えてしまった場合にも、フォーカス信号の焦点検出可能領域の領域外における信号に基づいて誤った合焦制御が行われる場合がある。例えば、フォーカス信号がＳ字カーブである場合に、焦点検出可能領域外に偽のゼロクロスポイントが存在し、この偽のゼロクロスポイントに焦点合わせを行ってしまう場合がある。
この点、本発明では、光量レベル比較手段を備えることにより、受光光量が不足していることが検出される。すると、被検面からの反射光量が十分に得られない場合や、偽のゼロクロスポイントに合焦している場合など、フォーカス信号のみでは認識できない誤制御も認識することができ、誤った合焦制御が行われることを防止することができる。
【００２５】
また、表面凹凸が大きい被検面では被検面での反射方向が大きく変化するため被検面から得られる反射光量が一時的に少なくなる場合もあるところ、光量レベル比較手段は、一定時間継続して光量が不足した場合にのみレベル不足信号を出力する。従って、単に被検面の表面凹凸が大きい場合に誤って光量レベルが不足していると判断することはなく、所定時間、光量レベルが不足しており制御不能であると判断された場合にのみレベル不足信号が出力される。
【００２６】
本発明では、前記光量レベル監視手段は、前記光量レベル比較手段からのレベル不足信号に応じて前記駆動制御手段における制御動作の中止を指令する制御中止指令部を備えることが好ましい。
【００２７】
この構成によれば、受光光量が不足している場合には駆動制御手段の動作が中止される。
すなわち、光量不足などにより、もはやフォーカス信号に基づく合焦制御が実行できない場合には制御動作が中止されるので、誤った制御動作が継続されることがない。
【００２８】
本発明の表面形状測定装置は、前記フォーカスサーボ装置と、前記被検面と前記対物レンズとを前記対物レンズの光軸に略垂直な方向で相対移動させる第２移動手段と、を備え、前記第１移動手段による光軸に沿った前記対物レンズと前記被検面との相対移動量を前記第２移動手段による光軸に略垂直方向での前記対物レンズと前記被検面との相対移動量に関連づけて記憶することにより前記被検面の表面形状を測定することを特徴とする。
【００２９】
このような構成によれば、対物レンズと被検面とが第２移動手段により光軸と略垂直方向に相対移動される。このとき、被検面の表面凹凸変化に応じ、被検面が対物レンズの焦点位置になるように対物レンズと被検面とが第１移動手段で光軸方向に相対移動される。そこで、第２移動手段の駆動量と第１移動手段での駆動量とを関連させることにより被検面の表面形状（表面プロフィール）を測定する表面形状測定装置とすることができる。
【００３０】
本発明では、前記駆動制御手段は、前記信号レベル比較手段からの前記レベル超過信号に応じて前記第２移動手段による前記対物レンズと前記被検面との相対移動速度を低下させる第２移動速度調整手段を備えることが好ましい。
【００３１】
このような構成において、第２移動手段により対物レンズと被検面とが光軸に垂直な方向へ相対移動され、対物レンズと被検面とが第１移動手段により合焦位置に制御される。この際の互いの相対移動距離を測定することにより被検面の凹凸形状が測定される。
ここで、例えば、被検面の凹凸が急激に変化するなどにより対物レンズと被検面との距離が大きく変化すれば、フォーカス信号も大きく変化することとなり、フォーカス信号がフォーカス信号レベル閾値を超えることとなる。フォーカス信号のレベルがフォーカス信号レベル閾値を越えたことが信号レベル比較手段で検出されるとき、焦点合わせ制御部により焦点引き込み制御が行われるところ、同時に、第２移動速度調整手段により対物レンズと被検面との相対移動速度が低下される。
このように焦点合わせ制御部で焦点引き込み制御を行う際に、第２移動手段の動作速度を低下させるので対物レンズと被検面との距離の変化が少なくなる。
すると、フォーカス信号の変化も少なくなることから焦点合わせ制御部における焦点引き込み制御が正確に実行される。
【００３２】
なお、第２移動手段が前記レベル超過信号に応じて前記対物レンズと前記被検面との相対移動速度を低下させることには、対物レンズと被検面との相対移動速度をゼロにして対物レンズと被検面との相対移動を停止させることも含む。
このような構成において、フォーカス信号が所定の閾値を超えてレベル超過信号が出力されるとき、対物レンズと被検面とが焦点距離から大きくずれていることになるが、第２移動手段により対物レンズと被検面との相対移動が停止されることにより、再び合焦位置に復帰する可能性を高めることができる。
【００３３】
本発明の複合測定装置は、前記被検面を撮像する撮像手段および前記被検面を照明する照明手段を有する画像測定装置と、前記表面形状測定装置と、を備えたことを特徴とする。
【００３４】
このような構成において、表面形状測定装置により被検面の表面凹凸が測定されると同時に、被検面を撮像した画像から被検面の観察が行われる。
画像測定用の照明手段を備えるところ、照明手段からの光がフォーカスサーボ装置のフォーカス信号を乱す場合がある。例えば、フォーカス信号がＳ字カーブである場合、焦点検出可能領域外においても偽のゼロクロスポイントが存在してしまう場合がある。
すると、この偽のゼロクロスポイントに合焦制御してしまう恐れがある。
この点、本発明では、フォーカス信号の信号レベル監視手段で監視（モニタ）することで偽のゼロクロスポイントへの合焦制御を防止するなど、画像測定用の照明光による外乱光でフォーカス信号が乱される場合でも、正確な合焦制御が継続される。その結果、画像測定を行うと同時に、フォーカスサーボによる表面形状測定を正確に行うことができ、その結果、非常に効率のよい測定を行うことができる測定機とすることができる。
【００３５】
本発明のフォーカスサーボ制御方法は、被検面に向けて光を照射するとともに前記被検面に対して光軸に沿った方向で相対移動可能である対物レンズを駆動制御して前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に制御するフォーカスサーボ制御方法において、前記被検面からの反射光を受光して得られる受光信号を処理して前記被検面が前記対物レンズの焦点位置からずれたずれ量に応じてレベルが変化するフォーカス信号を生成する受光信号処理工程と、前記フォーカス信号に基づいて前記対物レンズと前記被検面とをこの対物レンズの光軸に沿った方向で相対移動させて前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に制御する駆動制御工程と、前記フォーカス信号を監視するフォーカス信号監視工程と、を備え、前記フォーカス信号監視工程は、前記フォーカス信号の信号レベルを所定のフォーカス信号レベル閾値と比較して前記フォーカス信号が前記フォーカス信号レベル閾値を超えた場合にレベル超過信号を出力する信号レベル比較工程を有することを特徴とする。
【００３６】
このような構成によれば、前記発明と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、フォーカス信号のレベルを監視して、正しく制御できる範囲において制御動作を行うので、誤った動作が行われることを未然に防ぐことができる。その結果、正しい合焦制御が可能となり、また、誤った合焦制御を継続し続けるといった事態を防止することができる。
【００３７】
本発明では、前記駆動制御工程は、前記フォーカス信号が前記フォーカス信号レベル閾値を超えないサーボエリアにおいて前記フォーカス信号が前記合焦位置を示す信号値からずれたずれ量に基づいて前記対物レンズと前記被検面とを合焦位置に制御するサーボ制御工程と、前記フォーカス信号に基づいて合焦位置をサーチするとともに前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に引き込む焦点合わせ制御工程と、を備え、前記フォーカス信号監視工程は、前記信号レベル比較工程によるレベル超過信号に応じて前記焦点合わせ制御工程を開始させる焦点合わせ開始指令工程を有することが好ましい。
【００３８】
このような構成によれば、フォーカス信号がフォーカス信号レベル閾値を超えた場合には、焦点合わせ制御工程により合焦位置への制御を行うので、サーボ制御工程のまま誤った合焦制御を行うことがなく、正確な合焦制御を行うことができる。
【００３９】
本発明では、前記受光信号処理工程は、さらに、前記受光信号の大きさを示す受光量信号を出力し、前記受光量信号のレベルを監視する光量レベル監視工程を備え、前記光量レベル監視工程は、前記受光量信号の信号レベルを所定の光量レベル閾値と比較して前記受光量信号が所定の時間継続して前記所定の光量レベル閾値未満である場合に光量レベル不足信号を出力する光量レベル比較工程を有することが好ましい。
【００４０】
このような構成によれば、光量レベル比較工程を備えることにより、受光光量が不足していることが検出される。すると、被検面からの反射光量が十分に得られない場合や、偽のゼロクロスポイントに合焦している場合など、フォーカス信号のみでは認識できない誤制御も認識することができ、誤った合焦制御が行われることを防止することができる。
【００４１】
本発明では、前記光量レベル監視工程は、前記光量レベル比較工程からの光量レベル不足信号に応じて制御動作の中止を指令する制御中止指令工程を備えることが好ましい。
【００４２】
この構成によれば、受光光量が不足している場合には制御中止指令工程により駆動制御が中止される。すなわち、光量不足などにより、もはやフォーカス信号に基づく合焦制御が実行できない場合には制御動作が中止されるので、誤った制御動作が継続されることがない。
【００４３】
本発明のフォーカスサーボ制御プログラムは、被検面に向けて光を照射するとともに前記被検面に対して光軸に沿った方向で相対移動可能である対物レンズを駆動制御して前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に制御するフォーカスサーボ制御装置にコンピュータを組み込んで、このコンピュータを、前記被検面からの反射光を受光して得られる受光信号を処理して前記被検面が前記対物レンズの焦点位置からずれたずれ量に応じてレベルが変化するフォーカス信号を生成する受光信号処理手段と、前記フォーカス信号に基づいて前記対物レンズと前記被検面との相対位置を合焦位置に制御する駆動制御手段と、前記フォーカス信号の信号レベルを所定のフォーカス信号レベル閾値と比較して前記フォーカス信号が前記フォーカス信号レベル閾値を超えた場合にレベル超過信号を出力する信号レベル比較手段と、して機能させることが好ましい。
【００４４】
本発明では、前記受光信号処理手段は、さらに、前記受光信号の大きさを示す受光量信号を出力し、前記コンピュータをさらに、前記受光信号の信号レベルを所定の光量レベル閾値と比較して前記受光信号が所定の時間継続して前記所定の光量レベル閾値未満である場合に光量レベル不足信号を出力する光量レベル比較手段として機能させることが好ましい。
【００４５】
本発明の記録媒体は、前記フォーカスサーボ制御プログラムを記録したことを特徴とする。
【００４６】
このような構成によれば、信号レベル比較手段や光量レベル比較手段の閾値（フォーカス信号レベル閾値、光量レベル閾値）の設定値を変更するなど、各種の設定値等を容易に変更することができる。
なお、プログラムをインストールするにあたっては、コンピュータにメモリカードやＣＤ−ＲＯＭ等を直接差し込んで行ってもよいし、これらの記憶媒体を読み取る機器を外付けで接続してもよい。さらには、ＬＡＮケーブル、電話線等を接続して通信によってプログラムを供給しインストールしてもよいし、無線によってプログラムを供給してインストールしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の複合測定装置に係る第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態の機能ブロック図である。図２は、制御部の内部構成を示す機能ブロック図である。
複合測定装置１００は、対物レンズ２１３を合焦位置に制御することにより被検面Ｗの凹凸を測定する表面形状測定装置２００と、被検面Ｗを撮像した画像に基づいて被検面Ｗの表面パターンを観察する画像測定装置６００と、を備えて構成されている。
表面形状測定装置２００は、光学系機構部２１０と、受光部２２０と、信号処理部（受光信号処理手段）２３０と、制御部２４０と、移動ステージ（第２移動手段）２５０と、形状解析部２６０と、出力手段２７０と、を備えている。
ここで、光学系機構部２１０および受光部２２０の構成は背景技術で説明した構成と同様である。
【００４８】
信号処理部２３０は、Ｓ字状のフォーカス信号ＳＦを出力する点については背景技術と同様であるが、Ｓ字状のフォーカス信号ＳＦに加えて、二つの受光素子からの信号Ａ、Ｂを加算した受光量信号ＳＡＢ（＝Ａ＋Ｂ）を出力する。
ちなみに、背景技術で説明したようにピンホール方式の受光部２２０で得られた受光信号Ａ、Ｂを信号処理部２３０で処理してＳ字状のフォーカス信号ＳＦを得るところ、ＳＮ比がよく、対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離が合焦位置からずれるに従って急峻に変化するフォーカス信号ＳＦを得ることができる。
また、画像測定用の照明手段６１０を備えているところ、この照明手段６１０からの光が被検面Ｗで反射された後、対物レンズ２１３を通って受光部２２０に入射して受光される場合がある。その結果として図３（Ａ）に示されるように、フォーカス信号ＳＦのＳ字カーブの裾野部分に真性のゼロクロスポイントＰ０とは別の偽ゼロクロスポイントＰ１が出現する場合がある。
【００４９】
制御部２４０の構成について図２を参照して説明する。
制御部２４０は、信号処理部２３０からのフォーカス信号ＳＦに基づいて光学系機構部２１０の駆動制御を行う駆動制御部３００と、信号処理部２３０からの信号（フォーカス信号ＳＦ、受光量信号ＳＡＢ）を監視するとともに駆動制御部３００に動作指令を与える信号レベル監視部４００と、を備えている。
【００５０】
駆動制御部３００は、サーボエリアＴｓ内のフォーカス信号ＳＦに基づいて対物レンズ２１３を合焦位置に制御するサーボ制御部３１０と、フォーカス信号ＳＦに基づいて合焦位置をサーチし対物レンズ２１３を合焦位置に引き込む焦点合わせ制御部３２０と、サーボ制御部３１０からの出力信号と焦点合わせ制御部３２０からの出力信号をと切り替える切替部３７０と、切替部３７０で切り替えられたサーボ制御部３１０からの出力信号または焦点合わせ制御部３２０からの出力信号に従ってアクチュエータ（第１移動手段）２１４を駆動するアクチュエータドライバ３８０と、移動ステージ２５０の駆動制御を行うステージ制御部３９１と、ステージ制御部３９１からの制御信号に従って移動ステージ２５０を駆動するステージドライバ３９２と、を備えている。
【００５１】
サーボ制御部３１０は、信号処理部２３０から入力されるフォーカス信号ＳＦに基づき、例えばＰＩＤ制御等のフィードバック制御により対物レンズ２１３を光軸方向に移動させて合焦位置に制御する。
サーボ制御部３１０は、対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離が焦点距離からあまりずれていない領域であるサーボエリアＴＳにおいて対物レンズ２１３の位置を制御する。すなわち、フォーカス信号ＳＦは、合焦位置においてゼロクロスポイント（電圧ゼロ）Ｐ０を示し、対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離が焦点距離からずれるに従って（電圧）レベルが増減するＳ字状カーブであるところ、ゼロクロスポイントＰ０の近辺において単調に増加あるいは単調に減少する領域において対物レンズ２１３の合焦制御を行う。
サーボ制御部３１０は、フォーカス信号ＳＦがゼロクロスポイントＰ０からずれた量から位置偏差を求めて、この位置偏差を特性補償した制御信号をアクチュエータドライバ３８０へ向けて切替部３７０を介して出力する。
【００５２】
焦点合わせ制御部３２０の構成について説明する。
焦点合わせ制御部３２０は、検出ヘッド部２１７からのパルス信号をカウントするカウンタ３３０と、カウンタ３３０のカウント値から対物レンズ２１３の位置を算出して認識する対物レンズ位置認識部３４０と、フォーカス信号ＳＦに基づいて合焦位置をサーチして求める合焦位置サーチ部３５０と、合焦位置サーチ部３５０で求められた合焦位置へ対物レンズ位置認識部３４０で求められた位置の対物レンズ２１３を移動制御する制御信号を発生する制御信号発生部３６０と、を備える。
【００５３】
合焦位置サーチ部３５０の構成について説明する。
合焦位置サーチ部３５０は、測定の開始時において対物レンズ２１３と被検面Ｗとの位置を合焦位置に制御する際、さらには、測定動作中に対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離が焦点距離から比較的大きくずれた際に、フォーカス信号ＳＦのゼロクロスポイントＰ０をサーチして、フォーカス信号ＳＦをゼロクロスポイントＰ０へ引き込むように対物レンズ２１３の位置を制御する。
合焦位置サーチ部３５０は、フォーカス信号ＳＦのＳ字状に変化するパターンを記憶するＳ字信号パターン記憶部３５１と、対物レンズ２１３を光軸方向に沿って振動（往復移動）させる信号を発生させる振動トリガ発生部３５２と、フォーカス信号ＳＦを認識するとともにフォーカス信号ＳＦのゼロクロスポイントＰ０を認識して合焦位置を算出する合焦位置算出部３５３と、移動ステージ２５０の移動速度を低下させる指令を発生させるステージ速度調整手段３５４と、合焦位置サーチ部３５０を制御する中央処理部（ＣＰＵ）３５５と、を備える。
【００５４】
Ｓ字信号パターン記憶部３５１は、対物レンズ２１３と被検面Ｗとが光軸に沿って相対移動した際に検出されるフォーカス信号ＳＦのＳ字パターンを記憶している。
つまり、（電圧）レベルが低い状態から電圧レベルが大きくなる山Ｍ１があって、そこからゼロクロスポイントＰ０を通過してさらに信号レベルが低下する谷Ｍ２を過ぎて電圧ゼロにいたる信号の形状パターンを記憶している。
Ｓ字信号パターン記憶部３５１は、最初、デフォルトに設定されたフォーカス信号ＳＦのＳ字信号パターンを記憶しているが、実際に対物レンズ２１３と被検面Ｗとが相対移動した際のフォーカス信号ＳＦパターンを取得した後はこれを保持する。
そして、Ｓ字パターンを記憶するときに、そのＳ字パターンに対応する対物レンズ位置を合わせて記憶する。
【００５５】
振動トリガ発生部３５２は、フォーカス信号ＳＦのレベルがサーボエリアＴＳを越えた場合に、対物レンズ２１３を光軸に沿って往復移動させて、少なくともフォーカス信号ＳＦのＳ字状の全領域が検出される程度に対物レンズ２１３を振動（往復移動）させる。
【００５６】
合焦位置算出部３５３は、振動トリガ発生部３５２からの信号によって対物レンズ２１３が光軸方向に往復運動した際のフォーカス信号ＳＦの変化をＳ字信号パターン記憶部３５１に記憶されたパターンに参照してフォーカス信号ＳＦのＳ字パターンを認識する。そして、このＳ字パターンのフォーカス信号ＳＦのうちからゼロクロスポイントＰ０をサーチする。
サーチされたゼロクロスポイントＰ０へフォーカス信号ＳＦを引き込むための対物レンズ位置を算出し、制御信号発生部３６０に出力する。
【００５７】
ステージ速度調整手段３５４は、合焦位置サーチ部において合焦位置サーチを行う際に、移動ステージ２５０の移動速度を低減させる速度調整信号をステージ制御部３９１に出力する。
【００５８】
制御信号発生部３６０は、合焦位置算出部３５３から出力される対物レンズ２１３の合焦位置と対物レンズ位置認識部３４０で認識される対物レンズ位置とを比較するとともに両者の位置偏差から対物レンズ位置を合焦位置へ引き込む制御信号を出力する。
すなわち、Ｓ字パターン記憶部３５１ではＳ字パターンと対物レンズ位置との対応を記憶しているので、合焦位置算出部３５３でサーチされたゼロクロスポイントＰ０へフォーカス信号ＳＦを引き込むための対物レンズ位置が分かる。そこで、制御信号発生部３６０は、現在の対物レンズ位置を合焦位置に対応する位置へ移動させるための制御信号を出力する。
【００５９】
切替部３７０は、サーボ制御部３１０に繋がる第１端子３７１と、制御信号発生部３６０に繋がる第２端子３７２と、を備えている。
そして、切替部３７０は、信号レベル監視部４００からの指令により第１端子３７１と第２端子３７２を切り替え、アクチュエータドライバ３８０へ出力する制御信号をサーボ制御部３１０からの信号と制御信号発生部３６０からの信号とのうちから切り替えて選択する。
【００６０】
アクチュエータドライバ３８０は、切替部３７０を介して出力される制御信号（サーボ制御部３１０からの信号または制御信号発生部３６０からの信号）を受けて、アクチュエータ２１４を駆動させる。
【００６１】
ステージ制御部３９１は、ステージドライバ３９２を介して移動ステージを駆動させる。
【００６２】
信号レベル監視部４００の構成について説明する。
信号レベル監視部４００は、信号処理部２３０から出力されるフォーカス信号ＳＦおよび受光量信号ＳＡＢの信号レベルを監視するとともに監視結果に応じてサーボ制御部３１０および焦点合わせ制御部３２０に所定の動作を指令する。
【００６３】
信号レベル監視部４００は、信号処理部２３０から出力される受光量信号ＳＡＢの信号レベルを監視する光量レベル監視部（光量レベル監視手段）４１０と、信号処理部２３０から出力されるフォーカス信号ＳＦの信号レベルを監視するフォーカス信号監視部（フォーカス信号監視手段）４４０と、を備えている。
【００６４】
光量レベル監視部４１０は、信号処理部２３０からの受光量信号ＳＡＢ（＝Ａ＋Ｂ）を所定の閾値である光量レベル閾値４２１と比較して受光量信号ＳＡＢが閾値未満である場合に光量不足信号を出力する光量レベル比較部（光量レベル比較手段）４２０と、光量レベル不足信号が出力された場合にサーボ制御部３１０に動作停止を指令する第１サーボ停止指令部（制御中止指令部）４３０と、を備えている。
【００６５】
光量レベル比較部４２０には、受光部２２０で受光する光量が不足していることを検出するための閾値として光量レベル閾値４２１が設定されている。
光量レベル閾値４２１としては、光源２１１からの光が被検面Ｗで反射されて生じる反射光のうち受光部２２０で受光できる光量が１％を切ったことを検出できる値に設定されることが例として挙げられる。
例えば、光源２１１からの光が被検面Ｗで反射されて生じる反射光の総てを受光したときに受光量信号の電圧換算値が−５Ｖ〜＋５Ｖである場合、光量レベル閾値は５０ｍＶに設定されることが例として挙げられる。
また、光量レベル比較部４２０は、時刻カウンタ４２２を備えており、受光量信号ＳＡＢのレベルが所定時間（例えば２５０ｍｓ）継続して光量レベル閾値４２１を下回ったときに光量レベル不足信号を出力する。
【００６６】
ここで、図３（Ｂ）に、対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離に応じて受光量信号ＳＡＢのレベルが変化する様子の一例を示す。対物レンズ２１３が合焦位置付近にある場合には、ピンホール２２２Ａ、Ｂの前後において被検面Ｗからの反射光が結像するので、ピンホール２２２Ａ、Ｂを通して受光素子２２３Ａ、２２３Ｂで受光される光量が多くなるが、対物レンズ２１３が合焦位置から大きくずれてしまうと、ピンホール２２２Ａ、２２２Ｂを通過する光量が少なくなるので、受光量信号ＳＡＢのレベルは低くなる。
なお、フォーカス信号ＳＦについて考えるに（図３（Ａ））、対物レンズ位置が合焦位置から大きくずれてしまうと、光源由来の光ではゼロクロスポイント（真のゼロクロスポイントＰ０）が得られるはずはないが、画像測定用の照明手段６１０からの光が対物レンズ２１３に入射することによりフォーカス信号ＳＦがゼロクロスポイント（偽のゼロクロスポイントＰ１）を示す場合もありうる。この場合、フォーカス信号ＳＦはゼロクロスポイントであっても、受光量は不足していることが図３（Ｂ）から分かる。
【００６７】
第１サーボ停止指令部４３０は、光量レベル比較部４２０から光量レベル不足信号が出力されたのを受けて、サーボ制御部３１０に動作の中止を指令する。
【００６８】
フォーカス信号監視部４４０は、フォーカス信号ＳＦの信号レベルを所定閾値であるフォーカス信号レベル閾値４５１と比較してフォーカス信号ＳＦが閾値を超えた場合にレベル超過信号を出力する信号レベル比較部（信号レベル比較手段）４５０と、レベル超過信号が出力された場合に合焦位置サーチ部３５０に合焦位置サーチの開始を指令する焦点合わせ開始指令部４６０と、レベル超過信号が出力された場合にサーボ制御部３１０に動作停止を指令する第２サーボ停止指令部４７０と、を備える。
【００６９】
信号レベル比較部４５０には、フォーカス信号ＳＦのゼロクロスポイントＰ０から大きくずれたことを検出するための閾値としてフォーカス信号レベル閾値４５１が設定されている。
このフォーカス信号レベル閾値４５１としては、例えば図３（Ａ）に示されるように、フォーカス信号ＳＦのＳ字カーブの山Ｍ１および谷Ｍ２を超えない値で設定される。つまり、例えば、フォーカス信号のＳ字の山（谷）Ｍ１、Ｍ２の電圧レベルが±５Ｖである場合、フォーカス信号レベル閾値（±Ｔｖ）は、Ｔ＜５となる値に設定される。
信号レベル比較部４５０は、フォーカス信号ＳＦの（電圧）レベルが、フォーカス信号レベル閾値４５１を超えた場合に、レベル超過信号を出力する。
【００７０】
焦点合わせ開始指令部４６０は、信号レベル比較部４５０からレベル超過信号が出力されたのを受けて、合焦位置サーチ部３５０にサーチ開始の指令を与える。
【００７１】
第２サーボ停止指令部４７０は、信号レベル比較部４５０からレベル超過信号が出力されたのを受けて、サーボ制御部３１０に動作の停止を指令する。
また、第２サーボ停止指令部４７０からのサーボ停止指令は切替部３７０に入力される。切替部３７０は、サーボ停止指令を受けて、アクチュエータドライバ３８０へ出力する信号をサーボ制御部３１０からの制御信号に替えて制御信号発生部３６０からの制御信号とする。
【００７２】
画像測定装置６００の構成は、背景技術で説明した構成に同様であり、被検面Ｗ（測定対象物）を照明する照明手段６１０と、被検面Ｗを撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ６２０と、ＣＣＤカメラ６２０からの画像データを解析する画像解析部６３０と、を備えている。
【００７３】
このような構成を備える複合測定装置の動作について図４〜図７のフローチャートを参照して説明する。
【００７４】
まず、表面形状測定装置２００によって表面凹凸を測定する前に、画像測定装置６００による画像測定動作によって表面形状測定装置２００で測定すべき測定箇所の認識が行われる。
画像測定装置による画像測定動作について図４のフローチャートを参照して説明する。
まず、ＳＴ１０において、照明手段６１０から被検面Ｗに向けて照明光が照射される。そして、ＳＴ１１において、ステージ制御部３９１からの制御信号がステージドライバ３９２に印加され、移動ステージ２５０が移動を開始する。すると、ＣＣＤカメラ６２０と被検面Ｗとが光軸に垂直な方向で相対移動される。
【００７５】
ＳＴ１２において、ＣＣＤカメラ６２０により被検面Ｗが撮像され、撮像された画像データは画像解析部６３０に出力される。画像解析部６３０は、被検面ＷとＣＣＤカメラ６２０との相対移動量に対して画像データを対応させて被検面Ｗの表面パターンを解析する（ＳＴ１３）。
この画像解析（ＳＴ１３）において、表面形状測定装置２００による測定を開始すべき位置が探索される。そして、移動ステージ２５０の移動によって被検面の測定開始位置を表面形状測定装置２００のレーザー照射位置に合わせる。
【００７６】
被検面の測定開始位置がレーザー照射位置にあったところで、次に表面形状測定装置２００による測定動作が行われる。表面形状測定装置２００による測定動作を図５、図６、図７のフローチャートを参照して説明する。
まず、ＳＴ１００において光源２１１から光が発射される。すると、この光はコリメータレンズ２１２および対物レンズ２１３を通って被検面Ｗに照射される。さらに、被検面Ｗからの反射光は、照射光と逆の経路をたどって対物レンズ２１３からコリメータレンズ２１２を経て受光部２２０で受光される。
【００７７】
そして、まず、ＳＴ１０１〜ＳＴ１１１１において、測定開始位置における初期焦点合わせが行われる。ＳＴ１０１から順に動作を説明する。
【００７８】
まず、ＳＴ１０１、ＳＴ１０２において、受光部２２０からの受光信号が信号処理部２３０で信号処理され、受光量信号ＳＡＢとフォーカス信号ＳＦが出力される（受光信号処理工程）。
【００７９】
次に、焦点合わせ（ＳＴ１０３）が行われる。
焦点合わせ（ＳＴ１０３〜ＳＴ１１１）について説明する。
焦点合わせＳＴ１０３においては、焦点合わせ開始指令部４６０から焦点合わせ制御部３２０に焦点合わせ開始の指令が与えられると、ＳＴ１０４において、振動トリガ発生部３５２から出力された振動トリガが制御信号発生部３６０を介してアクチュエータドライバ３８０に向けて出力される。すると、対物レンズ２１３が被検面Ｗに接近離隔するように光軸方向に沿って上下に往復する。
【００８０】
ＳＴ１０５において、対物レンズ２１３が往復移動するときのフォーカス信号ＳＦの変化が合焦位置算出部３５３で認識され、合焦位置算出部３５３は、フォーカス信号ＳＦの変化をＳ字信号パターン記憶部３５１に記憶されたフォーカス信号ＳＦのＳ字パターンとマッチングしてフォーカス信号ＳＦのＳ字領域を認識する。
さらに、ＳＴ１０６において、合焦位置算出部３５３は、フォーカス信号ＳＦのＳ字領域のうちからゼロクロスポイントＰ０を認識する。
【００８１】
そして、ＳＴ１０７において対物レンズ位置認識部３４０が対物レンズ位置を認識するところ、ＳＴ１０８において、認識された対物レンズ位置とフォーカス信号ＳＦの変化との対応から、合焦位置算出部３５３は、ゼロクロスポイントＰ０における対物レンズ位置を算出する。すなわち、対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離が焦点距離となる対物レンズ位置が算出される。
算出された対物レンズ２１３の合焦位置は制御信号発生部３６０に出力される。
【００８２】
ＳＴ１０９において、制御信号発生部３６０は、対物レンズ位置認識部３４０にて認識された（現在の）対物レンズ位置と合焦位置算出部３５３で算出された対物レンズ２１３の合焦位置との偏差に基づいて対物レンズ２１３を合焦位置に引き込む制御信号を発生し、アクチュエータドライバ３８０に出力する。すると、ＳＴ１１０において、制御信号に基づいてアクチュエータ２１４が駆動され、ＳＴ１１１において対物レンズ２１３が合焦位置に移動される（駆動制御工程）。
【００８３】
そして、ＳＴ１１２において、サーボ制御部３１０によるサーボ制御が行われる（駆動制御工程、サーボ制御工程）。
ＳＴ１１３において、サーボ制御部３１０からの制御信号に応じた駆動信号がアクチュエータドライバ３８０からアクチュエータ２１４に出力され、アクチュエータ２１４が駆動される。
ＳＴ１１４において、アクチュエータ２１４により対物レンズ２１３が光軸に沿った方向で移動され、対物レンズ２１３の位置が合焦位置に制御される。
【００８４】
このように対物レンズ２１３が合焦位置に制御されたところで、次に、信号処理部２３０からの信号（受光量信号ＳＡＢ、フォーカス信号ＳＦ）が所定閾値と比較される。
ＳＴ１１５において、フォーカス信号ＳＦが信号レベル比較部４５０においてフォーカス信号レベル閾値４５１に比較される（信号レベル比較工程）。
ＳＴ１１６において、フォーカス信号ＳＦのレベルがフォーカス信号レベル閾値内である場合（ＳＴ１１６：ＹＥＳ）、サーボ制御ＳＴ１１２が継続して実行される。
すなわち、フォーカス信号ＳＦのレベルが信号レベル閾値内である場合、対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離が焦点距離からあまりずれていない領域であるサーボエリアに入っていると判断される。
このとき、サーボ制御部３１０は、フォーカス信号ＳＦがゼロクロスポイントＰ０からずれた量に基づく位置偏差を求め、この位置偏差を特性補償した制御信号をアクチュエータドライバ３８０へ向けて切替部３７０を介して出力する。
続いて、ＳＴ１１７において、受光量信号ＳＡＢが光量レベル比較部４２０で光量レベル閾値４２１に比較される（光量レベル比較工程）。ＳＴ１１８において、受光量信号ＳＡＢが光量レベル閾値以上である場合（ＳＴ１１８：ＹＥＳ）、受光光量は十分であると判断される。
【００８５】
このように対物レンズ２１３が正常に合焦位置に達したとき（ＳＴ１１９：ＹＥＳ）、ＳＴ１２０において対物レンズ位置がサンプリングされる。このとき、対物レンズ２１３とともにスケール２１６が移動されるところ、スケール２１６の変位が検出ヘッド部２１７で検出される。検出ヘッド部２１７からのパルス信号はカウンタ３３０でカウントされて、このカウンタ３３０のカウント値から対物レンズ２１３の位置が対物レンズ位置認識部３４０で算出される。
【００８６】
ここで、ＳＴ１１５において、信号レベル比較部４５０によりフォーカス信号ＳＦがフォーカス信号レベル閾値４５１に比較されたとき、フォーカス信号ＳＦがフォーカス信号レベル閾値４５１を超えていた場合（ＳＴ１１６：ＮＯ）、フォーカス信号ＳＦのサーボエリアを超えて、対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離が焦点距離から（比較的）大きくずれていると判断されるので、サーボ制御を停止するとともに焦点合わせ制御部３２０における焦点合わせが行われる。
このとき、ＳＴ１２１において、安定時間を確保するために所定時間（例えば５００μｓ）のカウントが行われる。これは、フォーカス信号レベル閾値４５１を超えた直後の不安定な状態のフォーカス信号ＳＦに基づいて焦点合わせを行うことを避け、安定時間経過後に十分に安定したフォーカス信号ＳＦに基づいて正確な焦点合わせを行うためである。
そして、安定時間が経過（ＳＴ１２１）したところで、ＳＴ１２２において、レベル超過信号を受けて第２サーボ停止指令部４７０からサーボ停止指令が出力され、この指令によりサーボ制御部３１０の動作が中止される。さらに、ＳＴ１２３において、サーボ停止指令は切替部３７０に入力され、切替部３７０がサーボ制御部３１０側の端子３７１から制御信号発生部３６０側の端子３７２に繋ぎ替える。そして、ＳＴ１２４において、レベル超過信号を受けて焦点合わせ開始指令部４６０から焦点合わせ制御部３２０に焦点合わせ開始の指令が出力される（焦点合わせ開始指令工程）。すると、ＳＴ１０３に戻って、ＳＴ１０３〜ＳＴ１１１の焦点合わせが行われる。
【００８７】
ここで、ＳＴ１１５、ＳＴ１１６、ＳＴ１２１〜ＳＴ１２４により、フォーカス信号監視工程が構成される。
【００８８】
また、ＳＴ１１７において、受光量信号ＳＡＢが光量レベル比較部４２０で光量レベル閾値４２１に比較されたときに受光量信号ＳＡＢが光量レベル閾値４２１を下回っていた場合（ＳＴ１１８：ＮＯ）、続いて、ＳＴ１２５において、光量レベル比較部４２０により継続時間がカウントされる。
そして、ＳＴ１２５において、受光量信号ＳＡＢが光量レベル閾値４２１を下回る時間が所定時間（例えば２５０ｍｓ）以内であれば（ＳＴ１２５：ＹＥＳ）、受光部２２０での受光量は十分であると判断され、以後、ＳＴ１１９における合焦位置の判断が行われる。
【００８９】
ＳＴ１２５において、受光量信号ＳＡＢが光量レベル閾値４２１を下回る時間が所定時間を超えた場合（ＳＴ１２５：ＮＯ）、光量レベル比較部４２０から光量レベル不足信号が出力される。すると、ＳＴ１２６において、第１サーボ停止指令部４３０からサーボ停止指令が出力される（制御中止指令工程）。サーボ停止指令は、サーボ制御部３１０に入力され、サーボ制御部３１０の動作が中止され、制御部２４０の動作が総て中止される（ＳＴ１２７）。
【００９０】
ここで、ＳＴ１１７、ＳＴ１１８、ＳＴ１２５、ＳＴ１２６により光量レベル監視工程が構成される。
【００９１】
焦点合わせに成功し（ＳＴ１１９：ＹＥＳ）、この合焦位置における対物レンズ位置がサンプリングされた（ＳＴ１２０）後の動作について図６、図７を参照して説明する。つまり、移動ステージ２５０を移動させて被検面Ｗを対物レンズ２１３により倣い走査しながら主としてサーボ制御により対物レンズ２１３を合焦位置に制御する動作について説明する。
【００９２】
ＳＴ２００において、ステージ制御部３９１から指令が出力され、ステージドライバ３９２を介して移動ステージ２５０が移動を開始する。すると、対物レンズ２１３（光学系機構部）と被検面Ｗとが光軸に垂直な方向で相対移動される。
【００９３】
そして、この後、ＳＴ２０１の受光量信号の出力からＳＴ２１１における対物レンズ位置のサンプリング動作については、図５で説明したＳＴ１０１からＳＴ１１１に同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００９４】
ここで、ＳＴ２０６において、信号レベル比較部４５０によりフォーカス信号ＳＦがフォーカス信号レベル閾値４５１に比較されたとき、フォーカス信号ＳＦがフォーカス信号レベル閾値４５１を超えていた場合（ＳＴ２０７：ＮＯ）、信号レベル比較部４５０からレベル超過信号が出力される。
すると、ＳＴ２１５において安定時間（５００μｓ）の経過をカウントし、続いて、ＳＴ２１６において、レベル超過信号を受けて第２サーボ停止指令部４７０からサーボ停止指令が出力され、この指令によりサーボ制御部３１０の動作が中止される。さらに、ＳＴ２１７において、サーボ停止指令は切替部３７０に入力され、切替部３７０がサーボ制御部３１０側の端子３７１から制御信号発生部３６０側の端子３７２に繋ぎ替える。そして、ＳＴ２２０において、レベル超過信号を受けて焦点合わせ開始指令部４６０から焦点合わせ制御部３２０に焦点合わせ開始の指令が出力される（焦点合わせ開始指令工程）。すると、ＳＴ３００において、焦点合わせが実行される（焦点合わせ制御工程）。
【００９５】
次に、ＳＴ３００の焦点合わせについて、図７を参照して説明する。
図７は、焦点合わせの動作手順を示すフローチャートである。
ここで、図７のＳＴ３０１〜ＳＴ３０９の動作は、図５で説明したＳＴ１０３〜ＳＴ１１１に同様であるので、詳細な説明を省略する。
ただし、焦点合わせ開始指令部４６０から焦点合わせ制御部３２０に焦点合わせ開始の指令が与えられた際に、ＳＴ３０１においてステージ速度調整手段３５４からステージ制御部３９１に速度低減の指令が出力されて、移動ステージ２５０の移動速度が低減される。
そして、ＳＴ３０２からＳＴ３０９により焦点合わせが実行されて、対物レンズ２１３が合焦位置に制御されたところで、ＳＴ２００に戻って動作が行われる。
【００９６】
このように対物レンズ２１３を合焦位置に制御しながら（ＳＴ２１０〜ＳＴ３０９）対物レンズ位置のサンプリングを行い（ＳＴ２１１）、ＳＴ２１２において終了条件が満たされている場合には、動作が終了される。
終了条件としては、測定範囲として指定された領域の総てについて走査が終了した場合に動作を終了するとして設定されることが例として挙げられる。
【００９７】
測定動作が終了したところで、ステージ制御部３９１からのステージ移動指令および対物レンズ位置認識部３４０で算出される対物レンズ位置が形状解析部２６０に出力されて被検面の表面形状解析が行われる（ＳＴ２１３）。このとき、被検面Ｗの移動に伴って被検面Ｗに合焦するように変位する対物レンズ２１３の移動軌跡から、被検面の表面凹凸（表面プロフィール）が得られる。解析結果は、出力手段２７０により出力される（ＳＴ２１４）。
【００９８】
このような構成を備える第１実施形態によれば次の効果を奏することができる。
（１）信号レベル比較部４５０を備え、フォーカス信号ＳＦのレベルがフォーカス信号レベル閾値内に入っているか監視するので（ＳＴ１１５、ＳＴ２０６）、フォーカス信号ＳＦが焦点検出可能範囲を超えたあるいは超えるおそれがあることを認識できる（ＳＴ１１６、ＳＴ２０７）。そして、フォーカス信号ＳＦがフォーカス信号レベル閾値４５１を超えた場合には焦点合わせ制御部３２０により改めて正確な合焦制御を行うことができる（ＳＴ３００）。その一方、フォーカス信号ＳＦがフォーカス信号レベル閾値４５１を超えないサーボエリアにおいてはサーボ制御部３１０によるサーボ制御を行うことで応答の速い制御を行うことができる（ＳＴ１１２、ＳＴ２０３）。すなわち、誤った合焦制御が行われるのを事前に回避するとともに、応答の速い制御で合焦制御することができる。
【００９９】
（２）フォーカス信号ＳＦのレベルがフォーカス信号レベル閾値４５１を超えた場合に、焦点合わせ制御部３２０で焦点合わせを行うにあたって、ステージ速度調整手段３５４により移動ステージ２５０の移動速度を減速させるので（ＳＴ３０１）、対物レンズ２１３と被検面Ｗとの距離の変化を少なくすることができる。すると、フォーカス信号ＳＦの変化も少なくできるので、焦点合わせ制御部３２０における焦点引き込み制御（ＳＴ３００）を正確に実行することができる。
【０１００】
（３）光量レベル比較部４２０を備え、受光量信号ＳＡＢを光量レベル閾値４２１に比較することにより、受光光量が不足していることを検出することができる（ＳＴ１１７、ＳＴ２０８）。すると、被検面Ｗからの反射光量が十分に得られない場合や、偽のゼロクロスポイントＰ１に合焦している場合など、フォーカス信号ＳＦのみでは認識できない誤制御も認識することができ（ＳＴ１１８、ＳＴ２０９）、誤った合焦制御が行われることを防止することができる。
また、光量レベル比較部４２０は、時刻カウンタ４２２により時間をカウントして一定時間継続して受光光量が不足した場合にのみレベル不足信号を出力するので（ＳＴ１２５、ＳＴ２１９）、単に被検面Ｗの表面凹凸が大きい場合に誤って光量レベルが不足していると判断することはなく、所定時間、光量レベルが不足しており制御不能であると判断された場合にのみレベル不足信号を出力する。その結果、不必要に制御動作が停止されるのを防止することができる。
【０１０１】
（４）複合測定装置１００として表面形状測定装置２００に加えて画像測定装置６００を備えているので、表面形状測定装置２００により被検面Ｗの表面凹凸を測定できると同時に、被検面Ｗを撮像した画像から被検面の観察を行うことができる（ＳＴ１０〜ＳＴ１３）。ここで、画像測定用の照明手段６１０を備えるところ、照明手段６１０からの光が外乱光となってフォーカス信号ＳＦを乱す恐れがあるが、信号レベル比較部４５０および光量レベル比較部４２０を備え、信号（フォーカス信号ＳＦ、受光量信号ＳＡＢ）を監視（モニタ）することで偽のゼロクロスポイントＰ１への合焦制御を防止するなど、画像測定用の照明光による外乱光でフォーカス信号ＳＦが乱される場合でも、正確な合焦制御を行うことができる。
【０１０２】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態では、対物レンズ２１３が光軸方向に駆動され、移動ステージ２５０が光軸に垂直方向に駆動される場合を例に説明したが、対物レンズ２１３と被検面Ｗとが相対移動されればよいので、どちらが駆動されてもよいことはもちろんである。例えば、対物レンズ２１３と被検面Ｗとを光軸方向で相対移動させるにあたっては、対物レンズ２１３が固定されて被検面Ｗが上下（光軸方向）に移動してもよい。また、対物レンズ２１３と被検面Ｗとを光軸に垂直方向に移動させるにあたっては、被検面Ｗを固定して被検面Ｗを走査するように対物レンズ２１３を移動させてもよい。
【０１０３】
ＳＴ２１１（図６）において、対物レンズ２１３位置をサンプリングするにあたっては、対物レンズ２１３が合焦位置に達したときに（ＳＴ２１０：ＹＥＳ）、対物レンズ位置をサンプリング（ＳＴ２１１）してもよく、また、移動ステージの移動によって被検面Ｗと対物レンズ２１３とが相対移動されるところ、所定のサンプリングピッチごとに対物レンズ２１３の位置をサンプリングしてもよい。あるいは、一定時間ごとに対物レンズ２１３位置をサンプリングするとしてもよい。
【０１０４】
また、上記実施形態では、ＳＴ２００からＳＴ３００において移動ステージを移動させながら対物レンズ位置を合焦位置に制御する倣い測定について説明したが、被検面Ｗ上において測定点が飛び飛びに設定されている場合などには、倣い測定ではなく、各測定点においてその都度焦点合わせを行って被検面の凹凸を測定してもよい。この場合に、各測定点の高さが設計データなどから予めわかるならば、対物レンズ位置を予め合焦位置に移動させておいてもよい。このようにすれば、当初からフォーカス信号レベルが信号レベル閾値内に入るのでサーボ制御による微調整によって迅速に合焦させて、測定効率を向上させることができる。
【０１０５】
ＳＴ１１７およびＳＴ２０８の受光量信号レベル比較において、受光量信号ＳＡＢが光量レベル閾値４２１を下回る時間が所定時間を超えた場合には（ＳＴ１２５、ＳＴ２１９：ＮＯ）、動作を中止（ＳＴ１２７、ＳＴ２２１）する場合を例にして説明したが、動作を中止することなく、焦点合わせ（ＳＴ１０３〜ＳＴ１１１、ＳＴ３０１〜ＳＴ３０９）を行ってもよい。
【０１０６】
上記実施形態では、フォーカスサーボ機構を用いた表面形状測定装置２００に加えて画像測定装置６００を備えた複合測定装置１００の場合を例に説明したが、画像測定装置６００を備えていなくてもよいことはもちろんである。この場合でも、外乱光の影響に関わり無く正確なフォーカスサーボが行われることにより高精度に被検面Ｗの凹凸形状を測定できる表面形状測定装置２００とすることができる。
また、画像測定装置６００による画像解析によって表面形状測定装置２００の測定開始点を探索する例を説明したが、さらに、被検面の形状解析としてパターンマッチングやエッジ検出等を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明は、フォーカスサーボ装置に利用でき、例えば、表面形状測定装置等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の複合測定装置に係る第１実施形態の全体構成を示す図。
【図２】前記第１実施形態において、制御部の構成を示すブロック図。
【図３】フォーカス信号および受光量信号の一例を示す図。
【図４】前記第１実施形態において、画像測定の動作手順を示すフローチャート。
【図５】前記第１実施形態において、初期焦点合わせの動作手順を示すフローチャート。
【図６】前記第１実施形態において、フォーカスサーボ制御の動作手順を示すフローチャート。
【図７】前記第１実施形態において、焦点合わせ制御の動作手順を示すフローチャート。
【図８】従来の複合測定装置の構成を示す図。
【図９】フォーカス信号の一例を示す図。
【図１０】フォーカス信号の一例を示す図。
【符号の説明】
【０１０９】
１００…複合測定装置、２００…表面形状測定装置、２１０…光学系機構部、２１１…光源、２１２…コリメータレンズ、２１３…対物レンズ、２１４…アクチュエータ、２１５…変位検出手段、２１６…スケール、２１７…検出ヘッド部、２２０…受光部、２２２Ａ、２２２Ｂ…ピンホール、２２３Ａ、２２３Ｂ…受光素子、２３０…信号処理部（受光信号処理手段）、２４０…制御部、２５０…移動ステージ、２６０…形状解析部、２７０…出力手段、３００…駆動制御部（駆動制御手段）、３１０…サーボ制御部、３２０…焦点合わせ制御部、３３０…カウンタ、３４０…対物レンズ位置認識部、３５０…合焦位置サーチ部、３５１…Ｓ字信号パターン記憶部、３５２…振動トリガ発生部、３５３…合焦位置算出部、３５４…ステージ速度調整手段、３６０…制御信号発生部、３７０…切替部、３７１…第１端子、３７２…第２端子、３８０…アクチュエータドライバ、３９１…ステージ制御部、３９２…ステージドライバ、４００…信号レベル監視部、４１０…光量レベル監視部、４２０…光量レベル比較部、４２１…光量レベル閾値、４２２…時刻カウンタ、４３０…第１サーボ停止指令部（制御中止指令部）、４４０…フォーカス信号監視部（フォーカス信号監視手段）、４５０…信号レベル比較部（信号レベル比較手段）、４５１…フォーカス信号レベル閾値、４６０…焦点合わせ開始指令部、４７０…第２サーボ停止指令部、５００…駆動制御部、５１０…カウンタ、６００…画像測定装置、６１０…照明手段、６２０…カメラ、６３０…画像解析部、Ｐ０…真のゼロクロスポイント、Ｐ１…偽のゼロクロスポイント、ＳＡＢ…受光量信号、ＳＦ…フォーカス信号、Ｗ…被検面。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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