(57)【要約】【課題】  共焦点レーザ走査型顕微鏡における全焦点画像と顕微干渉計測法における高さ画像を効率よく取得することで、試料の３次元形状画像を短時間に取得することができる３次元形状観察装置を提供する。【解決手段】  本発明は、試料１７を載置するステージ２００と、試料１７の上方に配置される干渉対物レンズ３００と、共焦点レーザ走査型顕微鏡における光学系４００ａと、顕微干渉計測法における光学系４００ｂと、ステージ２００と、干渉対物レンズ３００を搭載する顕微鏡本体４００と、試料１７の３次元形状を観察する際に画像処理や顕微鏡本体４００を制御する制御部５００と、を有し、例えば干渉対物レンズ３００を連続して光軸に沿って移動させ、相対距離を連続的に変え、レーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を最適なタイミングで取得する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光源から出射された第１の光を試料に照射し、前記試料から反射した第１の反射光を第１の受光部に受光させ、受光した前記第１の反射光の強度に対応する第１の出力信号を前記第１の受光部から出力させる第１の光学系と、
第２の光源から出射された第２の光を前記試料と参照面に照射し、前記試料と前記参照面から反射されたそれぞれの第２の反射光を干渉させて第２の受光部に受光させ、受光した干渉した光を第２の出力信号として前記第２の受光部から出力させる第２の光学系と、
前記第１の光学系が前記第１の光源から出射された前記第１の光を前記試料に照射する際に、前記第１の光を前記試料に結像させ、前記第２の光学系が前記第２の光源から出射された前記第２の光を前記試料に照射する際に、前記第２の光を前記試料に結像させる第１の対物レンズと、
前記第１の対物レンズ、または前記試料を載置するステージの少なくとも１つを光軸に沿って移動させて、光軸方向における前記第１の対物レンズと前記試料の相対距離を変える駆動機構と、
前記駆動機構が前記相対距離を変えた際に、前記第１の出力信号と、前記第２の出力信号と、を異なる回数で取得し、取得した前記第１の出力信号から前記試料の表面光学像情報を形成し、取得した前記第２の出力信号から前記試料の高さを表す高さ情報を形成する制御部と、
前記制御部によって形成された前記表面光学像情報と前記高さ情報を合成し、前記試料の３次元形状画像を形成する画像処理部と、
を具備することを特徴とする３次元形状観察装置。
【請求項２】
前記第１の光学系は、前記試料から反射した前記第１の反射光の集光位置にピンホール有し、前記第１の受光部は、前記ピンホールを通過した前記第１の反射光を受光することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項３】
前記第１の光源は、前記第１の光であるレーザ光を出射し、前記レーザ光を偏向して試料を走査する２次元走査機構が前記第１の光源と前記第１の対物レンズの間に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３次元形状観察装置。
【請求項４】
前記第２の光源は、前記第２の光である低コヒーレントな照明光を出射することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項５】
前記表面光学像情報を基にして前記試料の全焦点画像を形成する画像処理部と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項６】
前記表面光学像情報を基にして前記試料の全焦点画像と、前記第２の出力信号を基にして前記試料の高さを示す高さ画像を形成する画像処理部と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項７】
前記高さ情報を基にして前記試料の高さを示す高さ画像を形成する画像処理部と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記第１の出力信号よりも前記第２の出力信号を多く取得することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記第１の出力信号と前記第２の出力信号を異なるタイミングで取得することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記第１の出力信号と前記第２の出力信号を取得する際、前記駆動機構が前記相対距離を連続的に変えることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項１１】
前記第２の受光部が前記第２の光を受光する際、前記第１の光源は消灯することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項１２】
前記第１の光源が点灯し、前記第１の受光部が前記第１の光を受光する際、前記第２の光源は消灯し、前記第２の光源が点灯し、前記第２の受光部が前記第２の光を受光する際、前記第１の光源は消灯することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項１３】
前記第２の光学系は、前記第２の光を所望するタイミングで遮光するシャッタを有することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項１４】
前記第１の光学系は、前記第１の光を所望するタイミングで遮光する第１のシャッタを有し、前記第２の光学系は、前記第２の光を所望するタイミングで遮光する第２のシャッタを有することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項１５】
前記第２の光学系は、前記第１の光を反射させ、前記第２の光を透過させる光学フィルタを有することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項１６】
前記第１の光学系は、前記第１の光を透過させ前記第２の光を反射する第１の光学フィルタを有し、前記第２の光学系は、前記第１の光を反射し前記第２の光を透過させる第２の光学フィルタを有することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項１７】
前記制御部は、前記第１の出力信号、または前記第２の出力信号のどちらか一方を所望する回数取得し、取得した後、他方を所望する回数取得することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項１８】
前記駆動機構が前記第１の対物レンズまたは前記ステージの少なくとも１つを前記光軸に沿って往復移動させて前記相対距離を変える際に、
前記制御部は、往路において前記第１の出力信号、または前記第２の出力信号のどちらか一方を所望する回数取得し、取得後、且つ移動させた前記第１の対物レンズ、または前記ステージが原点位置に戻った後、前記往路において他方を所望する回数取得することを特徴とする請求項１７に記載の３次元形状観察装置。
【請求項１９】
前記駆動機構が前記第１の対物レンズまたは前記ステージの少なくとも１つを前記光軸に沿って往復移動させて前記相対距離を変える際に、
前記制御部は、往路において前記第１の出力信号または前記第２の出力信号のどちらか一方を所望する回数取得し、取得した後、復路において他方を所望する回数取得することを特徴とする請求項１７に記載の３次元形状観察装置。
【請求項２０】
前記制御部は、前記第１の出力信号を取得し、取得した前記第１の出力信号から前記表面光学像情報を形成する第１の制御部と、前記第２の出力信号を取得し、取得した前記第２の出力信号から前記高さ情報を形成する第２の制御部と、を有し、
前記画像処理部は、前記第１の制御部から取得した前記表面光学像情報から前記全焦点画像を形成する第１の画像処理部と、前記第２の制御部から取得した前記高さ情報から前記高さ画像を形成する第２の画像処理部と、前記全焦点画像と前記高さ画像を合成した前記３次元形状画像を形成する第３の画像処理部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項２１】
前記第１の制御部が前記第１の出力信号を取得するタイミングと前記第２の制御部が前記第２の出力信号を取得するタイミングは、少なくとも１回同時であることを特徴とする請求項２０に記載の３次元形状観察装置。
【請求項２２】
前記制御部が前記第１の出力信号のみを取得する際に、前記駆動機構は、前記第１の対物レンズと前記ステージの少なくとも一方を静止させ、前記制御部が前記第２の出力信号のみを取得する際に、前記駆動機構が第１の対物レンズと前記ステージの少なくとも一方を移動させ、前記相対距離を連続的に変えることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項２３】
前記第１の制御部が前記第１の出力信号を取得するタイミングと、前記第２の制御部が前記第２の出力信号を取得するタイミングと、が同時の場合、前記駆動機構は、前記第１の対物レンズと前記ステージの少なくとも一方を静止させ、前記第２の制御部が、前記第２の出力信号のみを取得する場合、前記駆動機構が第１の対物レンズと前記ステージの少なくとも一方を移動させ前記相対距離を連続的に変えることを特徴とする請求項２０に記載の３次元形状観察装置。
【請求項２４】
前記第２の制御部が前記第２の出力信号を取得する場合、前記駆動機構は、前記第１の対物レンズと前記ステージの少なくとも一方を静止させ、前記第２の制御部が前記第２の出力信号のみを取得する場合、前記駆動機構が第１の対物レンズと前記ステージの少なくとも一方を移動させ前記相対距離を連続的に変えることを特徴とする請求項２０に記載の３次元形状観察装置。
【請求項２５】
前記駆動機構は、前記相対距離を連続的に変える際に、前記第１の対物レンズまたは前記ステージの少なくとも一方を前記光軸に沿って移動させる際の移動速度を、前記制御部が前記第１の出力信号を取得する場合と、前記制御部が前記第２の出力信号を取得する場合で変えることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
【請求項２６】
前記駆動機構は、前記相対距離を連続的に変える際に、前記第１の対物レンズまたは前記ステージの少なくとも一方を前記光軸に沿って移動させる際の移動速度を、前記第１の制御部が前記第１の出力信号を取得するタイミングと、前記第２の制御部が前記第２の出力信号を取得するタイミングと、が同時の場合と、前記第２の制御部が前記第２の出力信号のみを取得する場合と、で変えることを特徴とする請求項２０に記載の３次元形状観察装置。
【請求項２７】
前記第１の対物レンズとは異なる光学特性を有する第２の対物レンズと、
前記第１の対物レンズと、前記第２の対物レンズを保持し、前記第１の対物レンズと、前記第２の対物レンズのいずれか１つを前記光軸上に配置する対物レンズ配置部と、
を具備し、
前記駆動機構は、前記対物レンズ配置部、または前記ステージの少なくとも１つを前記光軸に沿って移動させることを特徴とする請求項１または請求項２０に記載の３次元形状観察装置。
【請求項２８】
前記第１の対物レンズと前記第２の対物レンズのいずれか１つが前記光軸上に配置された際に、
前記制御部は、前記光軸上に配置される前記第１の対物レンズまたは前記第２の対物レンズの前記光学特性に基づいたタイミングにて前記第１の出力信号と前記第２の出力信号を取得することを特徴とする請求項２７に記載の３次元形状観察装置。
【請求項２９】
前記制御部は、前記第１の対物レンズが前記光軸上に配置された際に前記第１の受光部から出力される前記第１の出力信号と、前記第２の対物レンズが前記光軸上に配置された際に前記第１の受光部から出力される前記第１の出力信号と、を異なるタイミングで取得することを特徴とする請求項２７に記載の３次元形状観察装置。
【請求項３０】
前記制御部は、前記第１の対物レンズが前記光軸上に配置された際に前記第１の受光部から出力される前記第１の出力信号よりも前記第２の対物レンズが前記光軸上に配置された際に前記第２の受光部から出力される前記第２の出力信号を多く取得することを特徴とする請求項２７に記載の３次元形状観察装置。
【請求項３１】
前記第１の対物レンズが前記光軸上に配置された際に、前記第１の制御部が前記第１の出力信号を取得するタイミングと、前記第２の制御部が前記第２の出力信号を取得するタイミングと、が同時であるタイミングは、前記第２の対物レンズが前記光軸上に配置された際に前記第１の制御部が前記第１の出力信号を取得するタイミングと、前記第２の制御部が前記第２の出力信号を取得するタイミングと、が同時であるタイミングとは異なることを特徴とする請求項２７に記載の３次元形状観察装置。
【請求項３２】
前記第１の対物レンズが前記光軸上に配置された際に前記第１の制御部が前記第１の出力信号を取得するタイミングと、前記第２の制御部が前記第２の出力信号を取得するタイミングと、が同時である回数は、前記第２の対物レンズが前記光軸上に配置された際に前記第１の制御部が前記第１の出力信号を取得するタイミングと、前記第２の制御部が前記第２の出力信号を取得するタイミングと、が同時である回数よりも少ないことを特徴とする請求項２７に記載の３次元形状観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の３次元形状を観察する３次元形状観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に微細な試料の３次元形状を非接触にて観察する際に、例えば共焦点レーザ走査型顕微鏡や顕微干渉計測法（干渉顕微鏡）などを使用することが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、共焦点レーザ走査型顕微鏡による試料の３次元形状（画像）の取り込み方法、３次元形状の観察方法について開示されている。この共焦点レーザ走査型顕微鏡は、レーザ光源から出射されたレーザ光を対物レンズによって試料表面に集光させる。次に共焦点レーザ走査型顕微鏡は、集光されたレーザ光を試料に対して平面方向に走査させ、試料から反射した反射レーザ光を受光する。また、共焦点レーザ走査型顕微鏡は、対物レンズと試料との相対距離を変えながら反射レーザ光を受光する。これにより共焦点レーザ走査型顕微鏡は、表面情報を有する高精度な観察画像（全焦点画像）を取得する。さらに、共焦点レーザ走査型顕微鏡は、反射レーザ光の受光強度が最大になったときの対物レンズと試料との相対距離情報（試料の高さ情報）と、上述した全焦点画像とを組み合わせる。これにより試料の表面情報と高さ情報を有する３次元形状画像を取得する。共焦点レーザ走査型顕微鏡は、この３次元形状画像から試料の形状を観察する。
【０００４】
一般的に共焦点レーザ走査型顕微鏡は、レーザ光源から出射される光にレーザ光を使用することで試料表面における集光性を増加させている。また共焦点レーザ走査型顕微鏡は、対物レンズによって集光されたレーザ光の集光位置に対する共役な位置にピンホールを配置し、ピンホールを通過した反射レーザ光のみを受光する。これにより共焦点レーザ走査型顕微鏡は、フレアが少なく、コントラストの高い高分解能な３次元形状画像を取得することができるという利点を有する。
【０００５】
しかし共焦点レーザ走査型顕微鏡の分解能は、対物レンズのＮＡに依存するため、一般にＮＡが小さい低倍率の対物レンズでは分解能が落ちる。したがって、より高精度な３次元形状画像を取得するためには、一般にＮＡが大きい高倍率の対物レンズを使用する必要がある。しかし高倍率の対物レンズでは一般に試料の観察視野が狭くなるという欠点が生じる。
【０００６】
このように共焦点レーザ走査型顕微鏡において、試料の表面情報及び高さ情報を有する試料の３次元形状画像を広範囲の領域に渡って高分解能に取得することは容易ではなく、また広範囲の領域の観察も容易ではない。
【０００７】
また、例えば特許文献２には、顕微干渉計測法による試料の３次元形状の取り込み方法と、３次元形状の観察方法について開示されている。顕微干渉計測法は、可干渉性が抑えられている低コヒーレントな照明光を例えばビームスプリッタ等によって分岐させる。顕微干渉計測法は、分岐した一方の光を対物レンズによって試料表面に集光させ、分岐した他方の光を参照ミラーなどに集光させる。次に顕微干渉計測法は、試料表面から反射した反射光と参照ミラーから反射した反射光を干渉させ、干渉像を取りこむ。顕微干渉計測法は、この干渉像を対物レンズと試料の相対距離を変えながら取り込み、この干渉像の強度分布から高精度な試料の高さ情報を有する観察画像を形成する。顕微干渉計測法は、この画像から試料の形状を観察する。
【０００８】
一般的に顕微干渉計測法は、ＮＡの小さい低倍率の対物レンズでも、高精度な高さ情報を取得することができるという利点を有する。
【０００９】
しかし顕微干渉計測法によって取得される観察画像は、フレアがかかったコントラストの悪い画像になりやすく、また干渉縞によって平面方向における試料表面の状態がわかりにくくなる。また顕微干渉計測法における光源には、低コヒーレントな白色光を出射する例えば白色光源などが用いられる。対物レンズを出射した白色光の試料表面における集光性は、レーザ光の集光性に比べて高くはない。そのため顕微干渉計測法と共焦点レーザ走査型顕微鏡で取得される試料の表面情報を比較すると、顕微干渉計測法は観察画像の平面方向の分解能が劣るという欠点が生じる。つまり顕微干渉計測法は、ダイナミックフォーカス的な処理による全焦点画像を構築しても表面情報を高精度に取得することが出来ない。
【００１０】
したがって、試料の３次元形状を広範囲かつ高精度に観察する場合、低い倍率の対物レンズを用いて観察視野を広くさせた状態で、高精度な（高分解能でコントラストの高い）表面情報を有する全焦点画像を取得することができる共焦点レーザ走査型顕微鏡と、高精度な高さ情報を取得することができる顕微干渉計測法を併用する必要がある。そのために、共焦点レーザ走査型顕微鏡と顕微干渉計測法の両方が使用可能となる３次元形状観察装置が望まれている。
【００１１】
このように共焦点レーザ走査型顕微鏡の構成と顕微干渉計測法の構成を組み合わせた従来の３次元形状観察装置１００の構成を図１８に示す。
【００１２】
３次元形状観察装置１００は、試料１７を載置するステージ２００と、試料１７の上方に配置される干渉対物レンズ３００と、ステージ２００と干渉対物レンズ３００を有する顕微鏡本体４００と、駆動機構４０と、制御部５００と、から構成されている。
【００１３】
顕微鏡本体４００は、干渉対物レンズ３００の上方に、さらに共焦点レーザ走査型顕微鏡における光学系（第１の光学系）４００ａと、顕微干渉計測法（干渉顕微鏡）における光学系（第２の光学系）４００ｂを搭載している。
【００１４】
共焦点レーザ走査型顕微鏡における光学系４００ａについて説明する。この光学系４００ａには、直線偏光の特性を有するレーザ光（第１の光）２を出射するレーザ光源（第１の光源）１と、レーザ光源１から出射されたレーザ光２を透過させ、また後述する試料１７から反射したレーザ光２を反射する偏光ビームスプリッタ３と、回動することによって偏光ビームスプリッタ３を透過したレーザ光２を試料１７の表面に対して２次元方向に走査する２次元走査機構４が順次配置されている。偏光ビームスプリッタ３は、レーザ光２が有する偏光特性に応じてレーザ光２を反射、または透過させる。２次元走査機構４は、例えば、レゾナントスキャナやガルバノスキャナなどであり、後述する対物レンズ３１の瞳と共役な位置に配置されている。
【００１５】
また共焦点レーザ走査型顕微鏡の光学系４００ａには、２次元走査機構４によって走査されるレーザ光２の光路上に瞳投影レンズ５と、第１の結像レンズ６と、１／４波長板７と、第１のビームスプリッタ８が順次配置されている。１／４波長板７は、２次元走査機構４によって走査され、瞳投影レンズ５と、第１の結像レンズ６を透過したレーザ光２の偏光方向を１／４波長分だけ変換する。これによりレーザ光源１から出射されたレーザ光２は、円偏光に変換される。第１のビームスプリッタ８は、例えばダイクロイックプリズム、またはダイクロイックミラーであり、レーザ光２を反射し、また後述する試料１７から反射した白色光１３（干渉光）を透過させる。なお第１のビームスプリッタ８の反射透過率特性については後述する。
【００１６】
第１のビームスプリッタ８の反射光路上には、後述する顕微干渉計測法における光学系４００ｂに設けられている第２のビームスプリッタ１４と、干渉対物レンズ３００と、試料１７を載置しているステージ２００が順次配置されている。第２のビームスプリッタ１４は、第１のビームスプリッタ８によって反射されたレーザ光２や試料１７から反射したレーザ光２を透過させ、後述する白色光１３を一定の分岐比で分岐（反射、または透過）させる。第２のビームスプリッタ１４の反射透過率特性については後述する。干渉対物レンズ３００に設けられている対物レンズ３１は、レーザ光２を試料１７の表面上に結像（集光）させる。なお干渉対物レンズ３００には、対物レンズ３１の下方にハーフミラー３２が設けられており、ハーフミラー３２はレーザ光２を透過させる。なおハーフミラー３２の反射透過特性については後述する。このように光学系４００ａは、レーザ光源１から出射されたレーザ光２を試料１７に照射する。
【００１７】
またレーザ光２は、試料１７から反射された後、上述した同じ光路を通り、偏光ビームスプリッタ３に戻る。その際、１／４波長板７は、試料１７から反射されたレーザ光２の偏光方向を１／４波長分だけ変換する。これによりレーザ光２は、再び直線偏光に変換される。直線偏光に変換されたレーザ光２は、レーザ光源１から出射されたレーザ光２に対して直交する直線偏光の特性を有する。そのため偏光ビームスプリッタ３は、レーザ光２を反射する。
【００１８】
また共焦点レーザ走査型顕微鏡の光学系４００ａには、偏光ビームスプリッタ３によって反射されるレーザ光２の反射光路上に第２の結像レンズ９と、ピンホール１０と、レーザ用受光素子（第１の受光部）１１が順次配置されている。ピンホール１０は、対物レンズ３１の焦点位置と共役な位置に配置されており、対物レンズ３１によって試料１７の表面上に集光され、試料１７の表面上にてピントのあったレーザ光２のみを通過させる。レーザ用受光素子１１は、ピンホール１０を透過したレーザ光２を受光し、受光したレーザ光２の光量（強度）に応じて変化する出力信号（第１の出力信号）を制御部５００に出力する。制御部５００は、出力信号から輝度情報（Ｉ）を形成する。なおレーザ用受光素子１１は、ピンホール１０によって試料１７の表面上にてピントのあったレーザ光２のみを受光する。レーザ用受光素子１１には、例えば光電子増倍管やフォトダイオードなどが用いられる。
【００１９】
このように光学系４００ａは、試料１７から反射したレーザ光２（反射光）をレーザ用受光素子１１に受光させ、受光したレーザ光２の強度に対応する第１の出力信号をレーザ用受光素子１１から出力させる。
【００２０】
なお干渉対物レンズ３００と試料１７の光軸方向における距離（以下、相対距離）は駆動機構４０によって一定のピッチだけ変わり、静止される。レーザ用受光素子１１は、この相対距離における出力信号を制御部５００に出力する。制御部５００は、出力信号からこの相対距離における輝度情報（Ｉ）を形成する。このように輝度情報（Ｉ）は、相対距離が変化するたびに形成される。相対距離毎に形成された複数の輝度情報（Ｉ）が制御部５００によって合成されると、フレアの少ない高分解能で高コントラストな試料１７の表面の全焦点画像が形成される。
【００２１】
次に顕微干渉計測法における光学系４００ｂについて説明する。この光学系４００ｂには、可干渉性が抑えられた（低コヒーレントな）照明光である白色光（第２の光）１３を出射する白色光源（第２の光源）１２と、白色光源１２から出射された白色光１３を白色光１３の波長域に応じて一定の分岐比で分岐する第２のビームスプリッタ１４が順次配置されている。なお白色光源１２は、例えば可視域から赤外域までの広い領域の光を出射するハロゲンランプなどである。第２のビームスプリッタ１４は、分岐した白色光１３の一部を干渉対物レンズ３００に向けて反射させる。
【００２２】
干渉対物レンズ３００において、対物レンズ３１は、白色光１３を試料１７の表面に結像（集光）させる。その際、光分割部材であるハーフミラー３２は、対物レンズ３１を透過した白色光１３を白色光１３の波長域に応じて一定の分岐比にて分岐させる（試料１７に向けて透過、または参照板（参照面）３３に向けて反射させる）。ハーフミラー３２の反射透過率特性については後述する。参照板３３は、ハーフミラー３２から反射した白色光１３をハーフミラー３２に向けて反射する。ハーフミラー３２は、参照板３３から反射した白色光１３を対物レンズ３１に向けて反射する。またハーフミラー３２を透過した白色光１３は、試料１７によって反射される。ハーフミラー３２は、試料１７から反射したこの白色光１３を対物レンズ３１に向けて透過させる。これにより試料１７の表面から反射した白色光１３と参照板３３から反射した白色光は、干渉する。このように光学系４００ｂは、白色光源１２から出射された白色光１３を試料１７と参照板３３に照射する。
【００２３】
なお上述した第２のビームスプリッタ１４は、この干渉光を一定の分岐比にて分岐（透過）する。また第１のビームスプリッタ８は、第２のビームスプリッタ１４によって分岐された干渉光を透過させる。
【００２４】
また顕微干渉計測法の光学系４００ｂには、第１のビームスプリッタ８を透過した干渉光を結像させる第３の結像レンズ１５と、第３の結像レンズ１５の焦点位置に配置され、試料１７の干渉像（干渉しあう試料１７の表面から反射した白色光１３（第２の反射光）と参照板３３から反射した白色光（第２の反射光））を撮像する撮像素子（第２の受光部）１６が順次配置されている。第３の結像レンズ１５と撮像素子１６は、第１のビームスプリッタ８の上方（透過光路上）に配置されている。撮像素子１６には、例えばＣＣＤカメラやＣＭＯＳセンサなどが用いられる。撮像素子１６によって撮像される干渉像には試料１７の表面画像に干渉縞（干渉像情報）が重なっている。撮像素子１６は、この干渉像情報を出力信号（第２の出力信号）として制御部５００に出力する。このように光学系４００ｂは、試料１７と参照板３３から反射されたそれぞれの第２の反射光を干渉させて撮像素子１６に受光させ、受光した干渉した光を第２の出力信号として撮像素子１６から出力させる。
【００２５】
なお上述したように相対距離は駆動機構４０によって一定のピッチだけ変わり、静止される。干渉像は、相対距離が変化するたびに制御部５００によって形成される。相対距離毎に形成された干渉像が制御部５００に取り込まれ、取り込んだ複数の干渉像から干渉による輝度の変化が制御部５００によって算出される。これにより試料１７の表面の高さ情報（高さ画像）が制御部５００によって形成される。上述したようにＮＡの小さい低倍率の対物レンズでも高分解能な高さが取得される。
【００２６】
次に干渉対物レンズ３００の構成について説明する。干渉対物レンズ３００は、上述したようにレーザ光２と、白色光１３を試料１７の表面に結像（集光）させる対物レンズ３１と、レーザ光２を透過させ、白色光１３を分岐させる（白色光１３の一方を試料１７に向けて透過させ、白色光１３の他方を反射させる）ハーフミラー３２と、ハーフミラー３２から反射される白色光１３によって照射される参照板３３を有している。対物レンズ３１と、ハーフミラー３２と、参照板３３は、干渉対物レンズ３００の光軸上に配置されており、ミラウ型の干渉光学系を構成している。またハーフミラー３２は、対物レンズ３１と試料１７の間に配置されている。参照板３３は、ハーフミラー３２を介して干渉対物レンズ３００の物体側焦点位置と光学的に共役な位置（ハーフミラー３２によって分岐された光路上）に配置されている。参照板３３の表面（ハーフミラー３２に対向する面）は、鏡面であるため、照射された白色光１３をハーフミラー３２に反射する。ハーフミラー３２は、この白色光１３を対物レンズ３１に反射する。
【００２７】
干渉対物レンズ３００における対物レンズ３１は、共焦点レーザ走査型顕微鏡と顕微干渉計測法に対する共通の部材であるため、共焦点レーザ走査型顕微鏡における観察視野と顕微干渉計測法における観察視野を同一のものにしている。
【００２８】
なお図１８ではミラウ型の干渉光学系を例としているが図１９に示すようにマイケルソン型の干渉光学系でも基本構成、動作、作用は同様である。
【００２９】
図１９に示すようにマイケルソン型の干渉対物レンズ３００は、対物レンズ３１と、レーザ光２を透過させ、白色光１３の一方を透過させ、白色光１３の他方を反射させる対物用ビームスプリッタ３４と、対物用ビームスプリッタ３４によって反射された白色光１３によって照射される参照ミラー（参照面）３５を有している。対物レンズ３１と、対物用ビームスプリッタ３４は、干渉対物レンズ３００の光軸上に配置されている。参照ミラー３５は、対物用ビームスプリッタ３４の反射光路上に配置され、対物用ビームスプリッタ３４を介して対物レンズ３１の物体側焦点位置と光学的に共役な位置に配置されている。参照ミラー３５の表面（対物用ビームスプリッタ３４に対向する面）は、鏡面であるため、照射された白色光１３を対物用ビームスプリッタ３４に反射する。対物用ビームスプリッタ３４は、この白色光１３を対物レンズ３１に反射する。対物用ビームスプリッタ３４の反射透過率特性は、後述する。このように対物レンズ３１と、対物用ビームスプリッタ３４と、参照ミラー３５は、マイケルソン型の干渉光学系を構成している。
【００３０】
次に第１のビームスプリッタ８の反射透過率特性（第１のビームスプリッタ８の反射率と透過率と、第１のビームスプリッタ８を反射、または透過する光（レーザ光２と、白色光１３）の波長域の関係）について図２０を参照して説明する。また第２のビームスプリッタ１４と、ハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４の反射透過率特性（第２のビームスプリッタ１４と、ハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４の反射率と透過率と、第２のビームスプリッタ１４と、ハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４を反射、または透過する光（レーザ光２と、白色光１３）の波長域の関係）について図２１を参照して説明する。図２０、図２１に示すように第１のビームスプリッタ８と、第２のビームスプリッタ１４と、ハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４は、光の波長域に応じて反射率及び透過率がそれぞれ異なる。このように第１のビームスプリッタ８は、所望する光の波長域に応じて光を反射、または透過させる。また第２のビームスプリッタ１４と、ハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４は、所望する光の波長域に応じて光を透過、または所望する比率にて分岐する。分岐した光は、透過、または反射される。つまり第１のビームスプリッタ８は、レーザ光２を略１００％反射させ、白色光１３を略１００％透過させる分光特性を有する。また第２のビームスプリッタ１４と、ハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４は、レーザ光２を略１００％透過させ、白色光１３を一定の分岐比にて透過及び反射させる分光特性を有する。
【００３１】
上述した制御部５００は、駆動機構４０を介して干渉対物レンズ３００と接続している。この駆動機構４０は、例えば干渉対物レンズ３００を焦点方向（Ｚ方向、光軸方向）に移動させ、試料１７の表面に位置する焦点方向（Ｚ方向）の位置決めを行う。このように駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００、またはステージ２００の少なくとも１つを光軸に沿って移動させて、光軸方向における干渉対物レンズ３００と試料１７の相対距離を変える。
【００３２】
３次元形状観察装置１００が、共焦点レーザ走査型顕微鏡における光学系４００ａと、顕微干渉計測法における光学系４００ｂから試料１７の表面上の３次元形状画像を取得（３次元形状を観察）する場合、制御部５００は駆動機構４０によって相対距離を調整し、干渉対物レンズ３００（相対距離の変化）を静止させる。この状態で３次元形状観察装置１００において、レーザ光源１は、レーザ光２を出射し、レーザ用受光素子１１は、試料１７から反射したレーザ光２を受光し出力信号を制御部５００に出力する。つぎに白色光源１２は白色光１３を出射し、撮像素子１６は試料１７と参照板３３から反射した白色光１３（干渉光）を撮像し出力信号を制御部５００に出力する。次に駆動機構４０は、例えば干渉対物レンズ３００を移動させ、相対距離を一定のピッチだけ変えた後、３次元形状観察装置１００は再び上述した動作を繰り返す。３次元形状観察装置１００は、この動作を対物レンズ３１によって試料１７に集光されたレーザ光２と白色光１３が、試料１７の表面上の３次元形状に対して十分補足できる範囲だけ、相対距離を変化させながら繰り返す。
【００３３】
これにより３次元形状観察装置１００は、広視野でＮＡの小さい低倍の対物レンズでも、共焦点レーザ走査型顕微鏡による平面方向に高分解能で高コントラストな試料１７の全焦点画像と、顕微干渉計測法による高さ方向に高分解能な試料１７の高さ画像を取得する。３次元形状観察装置１００は、全焦点画像と高さ画像を合成することによって、広視野で、かつ３次元方向に高分解能で、高コントラストな、試料１７の３次元形状画像を取得し、この３次元形状画像を参照して観察に使用する。
【特許文献１】特開平０９−０６８４１３号公報
【特許文献２】特開２００４−０２８６４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
しかしながら上述した３次元形状観察装置１００は、３次元形状画像を取得するために、共焦点レーザ走査型顕微鏡における光学系４００ａから全焦点画像を取得し、顕微干渉計測法における光学系４００ｂから高さ画像を取得する必要があるため、３次元形状画像を取得するまでに時間がかかる。つまり図１８に示す３次元形状観察装置１００は、全焦点画像と高さ画像を同じ回数だけ取得していため、３次元形状画像を取得するまでに時間がかかる。共焦点レーザ走査型顕微鏡は、顕微干渉計測法ほど細かく相対距離を変化させながら全焦点画像を取得する必要はない。しかし共焦点レーザ走査型顕微鏡は、顕微干渉計測法が高さ画像を取得するために相対距離を細かく変化させているために、必要以上に多くの全焦点画像を取得している。
【００３５】
また共焦点レーザ走査型顕微鏡は、２次元走査機構４によってレーザ光２を試料１７の表面上における観察視野の範囲だけ走査させている。しかしながら顕微干渉計測法は２次元走査機構４を走査させる必要が無く、顕微干渉計測法にとって不要な時間である。そのため顕微干渉計測法は、干渉像の取得に時間がかかる。
【００３６】
また顕微干渉計測法は、干渉像を取得する際に、相対距離を静止させる必要は無い。しかしながら共焦点レーザ走査型顕微鏡は、２次元走査機構４がレーザ光２を走査させるために駆動機構４０によって相対距離を静止させている。よって相対距離が静止されている間に、顕微干渉計測法は必要以上に多くの干渉像を取得している。
【００３７】
また共焦点レーザ走査型顕微鏡は、高さ情報を取得せず、全焦点画像のみを取得するのであれば、相対距離を変える速度によっては（相対距離を変える速度が微速であれば）相対距離を静止させずに全焦点画像を取得できる。しかしながら共焦点レーザ走査型顕微鏡は、相対距離を静止させているため全焦点画像の取得に時間がかかる。
【００３８】
よって、本発明は上記事情を鑑みて、共焦点レーザ走査型顕微鏡における全焦点画像と顕微干渉計測法における高さ画像を効率よく取得することで、試料の３次元形状画像を短時間に取得することができる３次元形状観察装置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】
【００３９】
本発明は目的を達成するために、第１の光源から出射された第１の光を試料に照射し、前記試料から反射した第１の反射光を第１の受光部に受光させ、受光した前記第１の反射光の強度に対応する第１の出力信号を前記第１の受光部から出力させる第１の光学系と、第２の光源から出射された第２の光を前記試料と参照面に照射し、前記試料と前記参照面から反射されたそれぞれの第２の反射光を干渉させて第２の受光部に受光させ、受光した干渉した光を第２の出力信号として前記第２の受光部から出力させる第２の光学系と、前記第１の光学系が前記第１の光源から出射された前記第１の光を前記試料に照射する際に、前記第１の光を前記試料に結像させ、前記第２の光学系が前記第２の光源から出射された前記第２の光を前記試料に照射する際に、前記第２の光を前記試料に結像させる第１の対物レンズと、前記第１の対物レンズ、または前記試料を載置するステージの少なくとも１つを光軸に沿って移動させて、光軸方向における前記第１の対物レンズと前記試料の相対距離を変える駆動機構と、前記駆動機構が前記相対距離を変えた際に、前記第１の出力信号と、前記第２の出力信号と、を異なる回数で取得し、取得した前記第１の出力信号から前記試料の表面光学像情報を形成し、取得した前記第２の出力信号から前記試料の高さを表す高さ情報を形成する制御部と、前記制御部によって形成された前記表面光学像情報と前記高さ情報を合成し、前記試料の３次元形状画像を形成する画像処理部と、を具備することを特徴とする３次元形状観察装置を提供する。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、共焦点レーザ走査型顕微鏡における全焦点画像と顕微干渉計測法における高さ画像を効率よく取得することで、試料の３次元形状画像を短時間に取得する３次元形状観察装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して詳細に説明する。  
図１は、本発明の第１の実施形態に係る３次元形状観察装置１００の構成図である。図２は、偏光ビームスプリッタ３の反射光路上に配置される部材の配置に対する変形例である。図３は、干渉対物レンズの変形例を示し、シャッタを有するマイケルソン型の干渉光学系を示している。前述した図１８に示す３次元形状観察装置１００と同一部には同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。また以下の説明において相対距離とは、干渉対物レンズ３００と試料１７の光軸方向における距離を意味する。
【００４２】
本実施形態における３次元形状観察装置１００は、試料１７を載置するステージ２００と、試料１７の上方に配置される干渉対物レンズ３００と、ステージ２００と干渉対物レンズ３００を有する顕微鏡本体４００と、３次元形状観察装置１００が試料１７の３次元形状を観察する際に３次元形状観察装置１００を制御する制御部５００と、試料１７の３次元形状画像を表示する表示部６００と、３次元形状観察装置１００に試料１７の３次元形状を観察させる指示を出力する指示部７００と、相対距離を変える駆動機構４０から構成されている。
【００４３】
顕微鏡本体４００は、干渉対物レンズ３００の上方に、さらに共焦点レーザ走査型顕微鏡における光学系４００ａと、顕微干渉計測法（干渉顕微鏡）における光学系４００ｂを搭載する。この光学系４００ａと、光学系４００ｂの構成は、図１８に示した構成と略同一である。また本実施形態における第１のビームスプリッタ８の反射透過率特性は、図２０に示す反射透過率特性と同様である。また第２のビームスプリッタ１４、ハーフミラー３２、対物用ビームスプリッタ３４の反射透過率特性は、図２１に示す反射透過率特性と同様である。
【００４４】
干渉対物レンズ３００は、図１８に示した構成と略同一であり、ミラウ型の干渉光学系である。なおこれに限定する必要はなく、図１９に示すようにマイケルソン型の干渉光学系でも基本構成、動作、作用は同様である。
【００４５】
なお上述した相対距離の調整は、駆動機構４０が干渉対物レンズ３００またはステージ２００の少なくとも１つを光軸方向に沿って移動させて行う。このように相対距離の調整は、特に限定されない。
【００４６】
また本実施形態において、図５Ａに示すように対物レンズ配置部であるレボルバ４５によって光学特性（例えばＮＡ）の異なる複数の干渉対物レンズ３００が保持されていても良い。この場合、本実施形態は、一方の干渉対物レンズ３００のＮＡ（以下、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００と称する）を他方の干渉対物レンズ３００のＮＡ（以下、高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００と称する）よりも低く設定する。低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００（第１の対物レンズ）と高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００（第２の対物レンズ）は、異なる光学特性（観察視野）を有する。レボルバ４５は、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００と、高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００を保持し、いずれか１つを光軸上に配置する。これにより本実施形態は、観察視野の広さを調整でき、後述する表面光学像情報と干渉像情報を取り込む時間を調整することができる。なお光学特性は、観察視野の広さを調整できればＮＡに限定する必要はない。この場合、駆動機構４０は、レボルバ４５を光軸に沿って移動させ、光軸上に配置されている低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００と、高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００のいずれか１つと試料１７との相対距離を変える。もちろんステージ２００を光軸に沿って移動させてもよい。
【００４７】
制御部５００には、制御本体部（例えばＣＰＵ）５１と、制御本体部５１と接続しているメモリ５２と画像処理部５３が設けられている。
【００４８】
制御本体部５１は、レーザ光源１の照明強度と、２次元走査機構４の走査と、レーザ用受光素子１１の感度調節と、白色光源１２の照明強度と、撮像素子１６の感度調節と、撮像素子１６のシャッタ速度と、光軸上に配置する干渉対物レンズ３００を切り替えるためレボルバ４５を回転させる動作などを制御する。
【００４９】
また制御本体部５１は、相対距離が変わった際にレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得し、この出力信号を輝度情報（Ｉ）として処理する。これにより制御本体部５１は、試料１７の表面上にてピントのあった部分だけの輝度情報（Ｉ）を取得する。制御本体部５１は、この輝度情報（Ｉ）を演算し、演算結果から試料表面の光学的な特徴である表面情報を形成する。また制御本体部５１は、相対距離が変わった際に撮像素子１６から出力される出力信号を取得し、撮像素子１６によって撮像された干渉像情報を算出する。また、制御本体部５１は、後述する動作によって干渉像情報から撮像素子１６により取得される試料１７の高さ情報を形成する。この高さ情報は、試料１７の高さを表す。
【００５０】
なお制御本体部５１は、輝度情報（Ｉ）を演算することで試料１７の高さ情報を算出する。この制御本体部５１は、高さ情報をメモリ５２に記憶させる。後述する画像処理部５３は、この高さ情報から高さ画像を形成する。しかしながらこの輝度情報（Ｉ）から取得された高さ情報は、対物レンズのＮＡに依存するため、特に低倍率では撮像素子１６により取得される高さ情報に比べて精度が低い。よって本実施形態は、後述する表面光学像情報と、撮像素子１６により取得される高さ情報と、を使用して試料１７の３次元形状を観察する。
【００５１】
メモリ５２は、制御本体部５１によって形成された表面情報を表面光学像情報として記憶する。またメモリ５２は、制御本体部５１によって形成された干渉像情報や高さ情報を記憶する。またメモリ５２には、画像処理部５３が試料１７の３次元形状画像を形成する際に使用される設定パラメータや、上述した駆動機構４０が相対距離を調整する際に、例えば干渉対物レンズ３００が光軸に沿って移動するための移動量（一定のピッチ）が記憶されている。なお設定パラメータとは、例えば制御本体部５１が出力信号を取得するための最適なピッチや、干渉対物レンズ３００の移動速度である。３次元形状観察装置１００が３次元形状画像を取得する際に、設定パラメータは制御本体部５１に出力される。
【００５２】
ピッチは、光軸上に配置される干渉対物レンズ３００の光学特性（例えばＮＡ）によって予め設定されている。よってメモリ５２には、干渉対物レンズ３００の光学特性と、この光学特性に応じたピッチの組み合わせが記憶されている。例えば上述したように低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００に代わって高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置されると、ピッチも変わる。制御本体部５１は、駆動機構４０に入力されたピッチだけ光軸上に配置されている干渉対物レンズ３００を光軸に沿って移動させ、相対距離を調整させる。そして制御本体部５１は、この相対距離におけるレーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を取得する。
【００５３】
画像処理部５３は、メモリ５２に記憶されている表面光学像情報を基にして試料１７の全焦点画像を形成し、メモリ５２に記憶されている高さ情報から高さ画像を形成する。そして画像処理部５３は、全焦点画像（表面光学像情報）と高さ画像（高さ情報）を合成して、試料１７の３次元形状を示す３次元形状画像を形成する。
【００５４】
表示部６００は、画像処理部５３によって形成された全焦点画像、高さ画像、または３次元形状画像を表示し、３次元形状観察装置１００を使用する使用者が３次元形状観察装置１００への動作指示をする制御画面を有している。表示部６００は、例えば、液晶ディスプレイまたはＣＲＴディスプレイである。
【００５５】
指示部７００は、例えばマウス、キーボード、タッチパネルなどである。また指示部７００は、制御本体部５１に上述した相対距離の範囲を指示する。この範囲とは、後述する上限位置と下限位置である。
【００５６】
このような制御部５００、表示部６００、指示部７００は、試料１７の３次元形状を観察する専用のコントローラユニットやＰＣなどである。
【００５７】
次に３次元形状観察装置１００が試料１７の３次元形状を観察する際の動作方法について説明する。  
まず本実施形態における共焦点レーザ走査型顕微鏡の動作方法について説明する。  
レーザ光源１から出射されたレーザ光２は、偏光ビームスプリッタ３を透過し、２次元走査機構４によって反射され、試料１７の表面に対して２次元方向に走査される。その際、走査されたレーザ光２は、瞳投影レンズ５を透過し、第１の結像レンズ６によって結像され、１／４波長板７を通過する。１／４波長板７を通過したレーザ光２は、第１のビームスプリッタ８によって反射される。反射されたレーザ光２は、第２のビームスプリッタ１４を透過し、対物レンズ３１によって試料１７の表面上に結像される。なおレーザ光２は、ハーフミラー３２を透過する。
【００５８】
なお直線偏光の特性を有するレーザ光２は、１／４波長板７を通過することで円偏光に変換される。変換されたレーザ光２は、対物レンズ３１によって試料１７に結像され、回折により点（スポット）状の光を生じる。点状の光は、２次元走査機構４によって試料１７上を二次元走査される。この走査範囲は、２次元走査機構４で偏向されるレーザ光２の振れ幅による。
【００５９】
また図２０、図２１に示すように、レーザ光２は、第１のビームスプリッタ８によって略１００％反射され、第２のビームスプリッタ１４と、ハーフミラー３２を略１００％透過する。
【００６０】
試料１７から反射されたレーザ光２（反射光）は、ハーフミラー３２と、対物レンズ３１と、第２のビームスプリッタ１４を透過し、第１のビームスプリッタ８によって反射され、１／４波長板７を通過する。１／４波長板７を通過したレーザ光２は、第１の結像レンズ６によって結像され、瞳投影レンズ５を透過し、２次元走査機構４を介して偏光ビームスプリッタ３に入射する。
【００６１】
このようにレーザ光２は、試料１７に入射した時と全く同じ経路を逆に通過して偏光ビームスプリッタ３に入射する。円偏光の特性を有するレーザ光２は、１／４波長板７を透過することで再び直線偏光に変換される。直線偏光に変換されたレーザ光２は、レーザ光源１から出射されたレーザ光２に対して直交する直線偏光の特性を有する。よって偏光ビームスプリッタ３に入射したレーザ光２は、偏光ビームスプリッタ３によって反射される。
【００６２】
偏光ビームスプリッタ３により反射されたレーザ光２は、第２の結像レンズ９へと導かれる。また２次元走査機構４は、対物レンズ３１の瞳位置と共役な位置に配置されているため、２次元走査機構４が軸外を走査しても、レーザ光２は第２の結像レンズ９上では動かない。
【００６３】
レーザ光２は、第２の結像レンズ９によって点状に絞られ、ピンホール１０を通過する。上述したようにピンホール１０は、対物レンズ３１を通過したレーザ光２の結像位置（対物レンズ３１の焦点位置）と共役な位置に配置され、試料１７の表面上にピントのあったレーザ光２のみを通過させる。これによりレーザ用受光素子１１には、対物レンズ３１によって試料１７の表面に集光され、試料１７の表面から反射され、ピンホール１０を通過したレーザ光２のみが受光される。このようにレーザ光２は、対物レンズ３１により試料１７にて結像した場合のみ、ピンホール１０によって遮光されることなく、レーザ用受光素子１１にて受光される。レーザ用受光素子１１は、受光したレーザ光２の光量に応じた出力信号を制御本体部５１に出力する。
【００６４】
制御本体部５１は、この出力信号を輝度情報（Ｉ）として処理し、輝度情報（Ｉ）を演算して表面情報を算出する。制御本体部５１は、この表面情報を表面光学像情報としてメモリ５２に記憶させる。
【００６５】
次に本実施形態における顕微干渉計測法の動作方法について説明する。  
白色光源１２から出射された白色光１３は、第２のビームスプリッタ１４によって図２１に示すように一定の分岐比にて分岐される。分岐によって下方（干渉対物レンズ３００側）に反射された白色光１３は、対物レンズ３１を透過する。透過した白色光１３は、ハーフミラー３２によって分岐される。分岐によってハーフミラー３２を透過した一方の白色光１３は、試料１７を照射する。また分岐によって反射した他方の白色光１３は、参照板３３の表面を照射する。参照板３３の表面は鏡面であるため、この白色光１３は、参照板３３によって反射される。
【００６６】
試料１７から反射した白色光１３は、ハーフミラー３２と、対物レンズ３１を透過する。また参照板３３から反射した白色光１３は、ハーフミラー３２によって反射され、対物レンズ３１を透過する。これにより試料１７の表面から反射した白色光１３と、参照板３３から反射した白色光１３は、干渉する。この干渉している白色光１３（干渉光）は、第２のビームスプリッタ１４と、第１のビームスプリッタ８を透過した後、第３の結像レンズ１５によって撮像素子１６の撮像面に結像される。この白色光１３は、干渉像情報を有しており、撮像素子１６は、干渉像情報（試料１７の表面画像に干渉縞が重なっている）を有した画像を撮像する。
【００６７】
撮像素子１６は、撮像した画像に含まれる干渉像情報を出力信号として制御本体部５１に出力する。制御本体部５１は、この干渉像情報をメモリ５２に記憶させる。
【００６８】
次に本実施形態における制御部５００の動作方法について説明する。  
指示部７００は、制御本体部５１に試料１７の表面における３次元形状画像の取得を指示する。制御本体部５１は、レーザ用受光素子１１からこの相対距離における出力信号を取得し、この出力信号から表面光学像情報を取得する。同様に制御本体部５１は、撮像素子１６からこの相対距離における出力信号を取得し、この出力信号から干渉像情報を取得する。取得された表面光学像情報と干渉像情報は、上述したようにメモリ５２に記憶される。なお制御本体部５１は、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号と撮像素子１６から出力される出力信号を、後述するようにどちらかを先（例えば図９、図１０参照）、または同時（例えば図１２、図１３Ａ、図１３Ｂ参照）に取得してもよい。
【００６９】
表示部６００には、共焦点レーザ走査型顕微鏡によって取得される試料１７の観察画像や顕微干渉計測法によって取得される試料１７の観察画像が表示される。共焦点レーザ走査型顕微鏡によって取得される試料１７の観察画像は、例えば全焦点画像を有する。また顕微干渉計測法によって取得される試料１７の観察画像は、例えば干渉像情報を基に形成された干渉像情報画像や高さ画像を有する。表示されている２つの観察画像の少なくとも１つが参照されて、駆動機構４０は相対距離を調整する。
【００７０】
しかし顕微干渉計測法によって取得される試料１７の観察画像は、干渉縞によって見えにくいため、一般的に共焦点レーザ走査型顕微鏡によって取得される試料１７の観察画像を使用して、相対距離を調整する。
【００７１】
したがって試料１７の３次元形状画像を取得する前の観察では、表示部６００は、顕微干渉計測法によって取得される試料１７の観察画像を表示しなくてもよい。ただし共焦点レーザ走査型顕微鏡は、焦点深度が浅い観察画像しか取得できない。また試料１７が段差構造を有して各試料表面の高さ位置がそれぞれ異なる場合、共焦点レーザ走査型顕微鏡は、試料１７の表面の一部にのみピントが合った観察画像しか取得できない。そのため共焦点レーザ走査型顕微鏡は、この観察画像を参照しながら相対距離を調整することは容易ではない可能性が生じる。
【００７２】
そこで制御本体部５１がミラウ型の干渉光学系を有する共焦点レーザ走査型顕微鏡によって相対距離を調整する場合、例えば図２に示すように第２の結像レンズ９とピンホール１０との間には、ハーフミラー１９が配置される。このハーフミラー１９は、レーザ光２を一定の分岐比で分岐（反射、または透過）させる。またこのハーフミラー１９の反射光路上には、ハーフミラー１９によって反射されたレーザ光２を受光するレーザ用受光素子２０が配置される。このレーザ用受光素子２０は、受光したレーザ光２の光量に応じて変化する出力信号を制御本体部５１に出力する。レーザ用受光素子２０に受光されるレーザ光２はピンホール１０によって絞られていないため、表示部６００には焦点深度の深い観察画像が表示される。よってこの観察画像を参照することで相対距離を容易に調整しやすくなる。
【００７３】
このように制御本体部５１は、共焦点レーザ走査型顕微鏡によって取得される試料１７の観察画像から相対距離を調整する際、制御本体部５１は、レーザ用受光素子２０から出力される出力信号を基に観察画像を形成し、表示部６００は、この観察画像を表示してもよい。また３次元形状画像を取得する際、制御本体部５１は、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号を基に観察画像を形成し、表示部６００は、この観察画像を表示してもよい。
【００７４】
また制御本体部５１がマイケルソン型の干渉光学系を有する顕微干渉計測法によって相対距離を調整する場合、例えば図３に示すように対物用ビームスプリッタ３４と参照ミラー３５の間にシャッタ３６が配置されればよい。制御本体部５１は、シャッタ３６を閉じることで、撮像素子１６から出力される出力信号によって形成される観察画像において、干渉縞がのっていない観察画像を取得する。したがって制御本体部５１は、シャッタ３６を閉じた状態で撮像素子１６から取得した観察画像を表示部６００に表示させる。よってこの観察画像を参照することで相対距離を容易に調整しやすくなる。また制御本体部５１は、試料１７の３次元形状画像を取得する場合、シャッタ３６を開けばよい。なおシャッタ３６の開閉動作は、指示部７００によって指示され、開閉動作は、制御本体部５１によって制御されればよい。
【００７５】
次に本実施形態における３次元形状観察装置１００が３次元形状画像を取得する際の相対距離の設定方法について説明する。  
まず３次元形状観察装置１００が３次元形状画像を取得する際の干渉対物レンズ３００と試料１７の相対距離の調整について説明する。  
３次元形状画像を取得するために必要な倍率（観察視野）を有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置される。なお上述したようにレボルバ４５に複数の干渉対物レンズ３００が保持されている場合、制御本体部５１は、レボルバ４５を回転させて例えば低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００を光軸上に配置させる。次に制御本体部５１は、干渉対物レンズ３００を光軸に沿って一定のピッチだけ移動させ、相対距離を調整する。このピッチは、上述したようにメモリ５２に記憶され、光軸上に配置される干渉対物レンズ３００の光学特性によって設定されている。
【００７６】
なお制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する際、駆動機構４０が相対距離を調整するために干渉対物レンズ３００を移動させる最適なピッチは、上述したように干渉対物レンズ３００の光学特性に依存するが、撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際、このピッチは干渉対物レンズ３００の光学特性に依存せず同じでもよい。
【００７７】
制御本体部５１が撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際の干渉対物レンズ３００のピッチは、例えば略７０ｎｍである。また制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する際の干渉対物レンズ３００のピッチは、倍率２０倍を有する干渉対物レンズ３００において例えば略１．２８μｍである。
【００７８】
このように光軸上に配置される干渉対物レンズの光学特性によってピッチが決まり、相対距離が調整される。
【００７９】
次に３次元形状画像を取得する際に相対距離の範囲の設定方法について説明する。相対距離の範囲の設定とは、例えば駆動機構４０が相対距離を調整するために干渉対物レンズ３００を光軸に沿って移動させる場合、干渉対物レンズ３００が試料１７に近接する下限位置から試料１７から離れた上限位置までの範囲を指示部７００が設定することである。なお駆動機構４０が相対距離を調整するためにステージ２００を移動させる場合、ステージ２００が干渉対物レンズ３００に近接する上限位置から干渉対物レンズ３００から離れた下限位置までの範囲を指示部７００が設定する。これにより相対距離の範囲の設定が完了する。
【００８０】
上述したように相対距離の設定が完了すると、３次元形状観察装置１００は試料１７の表面形状の３次元形状画像の取得を開始する。  
制御本体部５１がレーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際のタイミングを図４に示す。図４は、駆動機構４０が干渉対物レンズ３００を光軸に沿って移動させている場合を想定している。
【００８１】
図４において、右側に位置するグラフは、制御本体部５１が試料１７の３次元形状画像を取得するために要した取得時間（ｔ）を横軸に示し、干渉対物レンズ３００の光軸方向における位置（ｚ）を縦軸に示している。図４において、左側に位置するグラフは、レーザ用受光素子１１、撮像素子１６から出力される出力信号の出力量（Ｉ）（レーザ用受光素子１１、撮像素子１６の受光量）を横軸に示し、干渉対物レンズ３００の光軸方向における位置（ｚ）を縦軸に示している。図４において、右側に位置するグラフの縦軸と左側に位置するグラフの縦軸は、同じである。図４に示す「○」は、制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示し、「＋」は、制御本体部５１が撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示している。また図４の左側に位置するグラフは、レーザ用受光素子１１における受光量の推移を実線にて示し、撮像素子１６における受光量の推移を破線にて示している。
【００８２】
制御本体部５１は、レーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力された出力信号を取得する際、駆動機構４０は、図４に示すように干渉対物レンズ３００を光軸方向に沿って一定速度で連続的に移動させる。これにより駆動機構４０が相対距離を連続的に変える。その際、制御本体部５１は、最適なタイミング（図４に示す「○」と「＋」）で、レーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力された出力信号を取得する。上述したように制御本体部５１が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するために干渉対物レンズ３００が移動するピッチは、一般的に制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するために干渉対物レンズ３００が移動するピッチより細かい。そのため図４に示すように制御本体部５１は、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号よりも撮像素子１６から出力される出力信号を多く取得する。また制御本体部５１は、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号と、撮像素子１６から出力される出力信号と、を異なるタイミングで取得する。
【００８３】
このように干渉対物レンズ３００を光軸方向に沿って移動させ、相対距離を連続的に変えている際に、制御本体部５１は、レーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力された出力信号を異なるタイミングと回数で取得する。
【００８４】
また図５Ａに示すように例えば高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００に代わって低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置されると、ピッチも変わる。したがって光軸上に配置される干渉対物レンズ３００が切り換わると、メモリ５２に記憶されている組み合わせから光軸上に配置された干渉対物レンズ３００の光学特性に応じたピッチが制御本体部５１に入力される。制御本体部５１は、駆動機構４０に入力されたピッチだけ干渉対物レンズ３００を光軸に沿って連続的に移動させ、駆動機構４０に相対距離を調整させる。そして制御本体部５１は、この相対距離において光軸上に配置される干渉対物レンズの光学特性に基づいたタイミングにてレーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を取得する。
【００８５】
図５Ｂは、光学特性（例えばＮＡ）が異なる２本の干渉対物レンズ３００のどちらかが光軸上に配置された際に、制御本体部５１がレーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示している。
【００８６】
図５Ｂに示す「○」は、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置されている状態において、制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示している。図５Ｂに示す「●」は、高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置されている状態において、制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示している。図５Ｂに示す「＋」は、制御本体部５１が撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示している。図５Ｂに示す横軸、縦軸は図４と同様である。
【００８７】
上述したように制御本体部５１が撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際、ピッチは、干渉対物レンズ３００の光学特性に依存しないために、高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００のどちらが光軸上に配置されていても同一である。しかし制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する際（図５Ｂに示す「○」と「●」のタイミングにおいて）、図５Ｂに示すように高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００のピッチは、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００のピッチよりも細かくなっている。
【００８８】
これは高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置された場合、レーザ用受光素子１１の受光量の推移が急峻になるためである。そのためレーザ用受光素子１１から出力される出力信号をより細かいピッチで取得する必要があるためである。
【００８９】
そのため図５Ｂに示すように制御本体部５１は、高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置された際にレーザ用受光素子１１から出力される出力信号と、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置された際に撮像素子１６から出力される出力信号と、を異なるタイミングで取得する。
【００９０】
また図５Ｂに示すように制御本体部５１は、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置された際にレーザ用受光素子１１から出力される出力信号よりも、高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置された際に撮像素子１６から出力される出力信号を多く取得する。
【００９１】
図４、図５Ｂにおいてレーザ用受光素子１１がレーザ光２を受光する際、例えば白色光１３の波長域における第１のビームスプリッタ８の透過率が略１００％に達していないと、レーザ用受光素子１１が白色光１３を受光する虞が生じる。これにより高精度に表面光学像情報が取得されない虞が生じる。また撮像素子１６が白色光１３を受光する際、例えばレーザ光２の波長域における第１のビームスプリッタ８の反射率が略１００％に達していないと、撮像素子１６がレーザ光２を受光する虞が生じる。これにより高精度に高さ情報が取得されない虞が生じる。
【００９２】
そのため制御本体部５１は、一方の光学系における点灯した光源から出射された光を他方の光学系における受光部が受光することを防止するために、この光源の出力をＯＦＦ（消灯）にする。これにより他方の光学系における受光部には、他方の光学系における点灯した光源から出力された光のみが受光される。
【００９３】
例えば撮像素子１６が第２の光である干渉光を撮像する際、レーザ光源１は消灯する。またレーザ用受光素子１１が第１の光であるレーザ光２を受光する際、白色光源１２は消灯し、レーザ光源１が点灯し、撮像素子１６が第２の光を受光する際、白色光源１２は点灯し、レーザ光源１は消灯する。
【００９４】
詳細には制御本体部５１は、例えば白色光源１２をＯＦＦ（消灯）にすることで、レーザ光源１を点灯させた際にレーザ用受光素子１１にレーザ光２のみを受光させ、レーザ用受光素子１１に白色光１３を受光させることを防止する。また制御本体部５１は、例えばレーザ光源１をＯＦＦ（消灯）にすることで、白色光源１２を点灯させた際に撮像素子１６に白色光１３のみを受光させ、撮像素子１６にレーザ光２を受光させることを防止する。
【００９５】
これによりレーザ用受光素子１１はレーザ光２のみを受光し、制御本体部５１は、高精度に表面光学像情報を取得できる。また撮像素子１６は白色光１３のみを受光し、制御本体部５１は、高精度な高さ情報を取得できる。
【００９６】
なお白色光１３は、レーザ光２と比較して集光性が悪いため、制御本体部５１が白色光源１２をＯＦＦにしなくとも、ピンホール１０によってほとんど遮光される。そのため制御本体部５１は、レーザ用受光素子１１にレーザ光２を受光させる際、必ずしも白色光源１２をＯＦＦする必要はない。しかし例えば図２に示すようにハーフミラー１９とレーザ用受光素子２０の間にピンホール１０が配置されず、レーザ用受光素子２０がレーザ光２を受光する場合、制御本体部５１は、白色光源１２をＯＦＦにする必要がある。
【００９７】
レーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力された出力信号は、表面光学像情報、高さ情報としてメモリ５２に記憶される。画像処理部５３は、記憶された表面光学像情報を基にして全焦点画像を形成し、記憶された高さ情報から高さ画像を形成する。また画像処理部５３は、形成した全焦点画像と高さ画像を合成して試料１７の表面形状の３次元形状画像を形成する。
【００９８】
これら全焦点画像、高さ画像、３次元形状画像は、表示部６００に表示される。なお全焦点画像、高さ画像のみが表示されても良い。これら画像が参照されて観察が行われる。その際、表示された３次元形状画像の表示倍率、アングルの調整、画像のノイズ除去や傾き補正といった画像処理、粗さ計測や線幅観察といった３次元観察などが行われる。
【００９９】
このように本実施形態の３次元形状観察装置１００は、例えば干渉対物レンズ３００を連続して光軸に沿って移動させ、相対距離を連続的に変え、レーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を各光学系に対して最適化したタイミングで取得する。これにより本実施形態は、全焦点画像と高さ画像を効率よく取得できる。よって本実施形態は、試料１７の３次元形状画像をより短時間で取得することができる。
【０１００】
また本実施形態において、レーザ用受光素子１１はレーザ光２のみを受光し、制御本体部５１は、高精度に表面光学像情報を取得できる。また撮像素子１６は白色光１３のみを受光し、制御本体部５１は、高精度な高さ情報を取得できる。よって本実施形態は、高精度な試料１７の３次元形状画像を取得できる。
【０１０１】
なお前述した第１の実施形態は、一方の光学系における点灯した光源から出射された光を他方の光学系における受光部が受光することを防止するために、この光源の出力をＯＦＦ（消灯）にしている。しかし一方の光学系における光源から出射された光を他方の光学系における受光部が受光することを防止する形態は、上述した形態に限定する必要はない。
【０１０２】
第１の変形例として例えば図６に示すように、レーザ光源１と偏光ビームスプリッタ３の間にシャッタ（第１のシャッタ）２２ａ、白色光源１２と第２のビームスプリッタ１４の間にシャッタ（第２のシャッタ）２２ｂが配置されても良い。これらシャッタ２２ａ，２２ｂの開閉指示は、指示部７００によって指示され、開閉動作は、制御本体部５１によって制御される。閉じた状態のシャッタ２２ａはレーザ光２を遮光し、開いた状態のシャッタ２２ａはレーザ光２を通過させる。閉じた状態のシャッタ２２ｂは白色光１３を遮光し、開いた状態のシャッタ２２ｂは白色光１３を通過させる。このように制御本体部５１は、例えば所望するタイミングでシャッタ２２ｂを閉じることで、レーザ用受光素子１１にレーザ光源１から出射されたレーザ光２のみを受光させ、レーザ用受光素子１１に白色光１３を受光させることを防止できる。また制御本体部５１は、例えば所望するタイミングでシャッタ２２ａを閉じることで、撮像素子１６に白色光源１２から出射された白色光１３のみを受光させ、撮像素子１６にレーザ光２を受光させることを防止できる。
【０１０３】
このように光学系４００ａは、レーザ光２を所望するタイミングで遮光するシャッタ２２ａを有している。また光学系４００ｂは、白色光１３を所望するタイミングで遮光するシャッタ２２ｂを有している。
【０１０４】
なおシャッタ２２ａの配置位置は、上述した位置に限定する必要はなく、レーザ光源１と第１のビームスプリッタ８の間で、レーザ光２を遮光、通過できる位置に配置されていれば良い。
【０１０５】
なお白色光１３は、レーザ光２と比較して集光性が悪いため、シャッタ２２ａが配置されなくとも、ピンホール１０によってほとんど遮光される。そのため制御本体部５１がレーザ用受光素子１１にレーザ光２を受光させる際、必ずしもシャッタ２２ａは配置される必要はない。しかし例えば図２に示すようにハーフミラー１９とレーザ用受光素子２０の間にピンホール１０が配置されない状態でレーザ用受光素子２０がレーザ光を受光する場合、シャッタ２２ａはハーフミラー１９とレーザ用受光素子２０の間、または試料１７から反射したレーザ光２の反射光路上である第１のビームスプリッタ８からハーフミラー１９の間に配置される必要がある。
【０１０６】
このように本変形例の３次元形状観察装置１００は、３次元形状画像を取得する際に、シャッタ２２ａ，２２ｂによってレーザ光源１および白色光源１２を多様に制御しない。また本変形例の３次元形状観察装置１００は、レーザ用受光素子１１にレーザ光２を受光させる、または撮像素子１６に白色光１３を受光させる際に、レーザ光源１および白色光源１２の出力が不安定になることを防止できる。また本変形例の３次元形状観察装置１００は、レーザ用受光素子１１にレーザ光２を受光させるためにレーザ光源１の出力の安定化、撮像素子１６に白色光１３を受光させるために白色光源１２の出力の安定化させる時間を省略することができるために、より短時間で３次元形状画像を取得することが可能となる。
【０１０７】
また前述した第１の変形例ではシャッタ２２ａ，２２ｂが配置されが、これに限定される必要はなく、第２の変形例として例えば光学フィルタ（第１の光学フィルタ）２３ａと光学フィルタ（第２の光学フィルタ）２３ｂが配置されても良い。図７に示すように光学フィルタ２３ａは例えば第２の結像レンズ９とピンホール１０の間に配置され、光学フィルタ２３ｂは第３の結像レンズ１５と撮像素子１６の間に配置されている。なお光学フィルタ２３ａは、試料１７から反射したレーザ光２の反射光路上である第１のビームスプリッタ８からレーザ用受光素子１１の間に配置されても良く、また光学フィルタ２３ｂは、第１のビームスプリッタ８から撮像素子１６の間に配置されても良い。
【０１０８】
この光学フィルタ２３ａの反射透過率特性を図８に示す。図８に示すように光学フィルタ２３ａは、レーザ光２の波長域に対しては高い透過率（低い反射率）を有し、逆に白色光１３の波長域に対しては低い透過率（高い反射率）を有している。このように光学フィルタ２３ａは、レーザ光２を透過させ、白色光１３を反射する。また光学フィルタ２３ｂは図２０に示す反射透過率特性を有する。図２０に示すように光学フィルタ２３ｂは、白色光１３の波長域に対しては高い透過率（低い反射率）を有し、逆にレーザ光２の波長域に対しては低い透過率（高い反射率）を有している。このように光学フィルタ２３ｂは、白色光１３を透過させ、レーザ光２を反射する。
【０１０９】
なお白色光１３は、レーザ光２と比較して集光性が悪いため、光学フィルタ２３ａが配置されなくとも、ピンホール１０によってほとんど遮光される。そのため制御本体部５１がレーザ用受光素子１１にレーザ光２を受光させる際、必ずしも光学フィルタ２３ａは配置される必要はない。しかし例えば図２に示すようにハーフミラー１９とレーザ用受光素子２０の間にピンホール１０が配置されない状態でレーザ用受光素子２０がレーザ光を受光する場合、光学フィルタ２３ａはハーフミラー１９とレーザ用受光素子２０の間、または試料１７から反射したレーザ光２の反射光路上である第１のビームスプリッタ８からハーフミラー１９の間に配置される必要がある。
【０１１０】
このように光学系４００ａは、レーザ光２を透過させ白色光１３を反射させる光学フィルタ２３ａを有している。また光学系４００ｂは、レーザ光２を反射させ白色光１３を透過させる光学フィルタ２３ｂを有している。
【０１１１】
このように本変形例の３次元形状観察装置１００は、３次元形状画像を取得する際に、光学フィルタ２３ａ，２３ｂによってレーザ光源１および白色光源１２を多様に制御しない。本変形例の３次元形状観察装置１００は、レーザ用受光素子１１にレーザ光２を受光させる、または撮像素子１６に白色光１３を受光させる際に、レーザ光源１および白色光源１２の出力が不安定になることを防止できる。また本変形例の３次元形状観察装置１００は、レーザ用受光素子１１にレーザ光２を受光させるためにレーザ光源１の出力の安定化、撮像素子１６に白色光１３を受光させるために白色光源１２の出力の安定化させる時間を省略することができるために、より短時間で３次元形状画像を取得することが可能となる。また本変形例は、第１の変形例にようにシャッタ２２ａ，２２ｂを制御する必要がないためにより短時間で３次元形状画像を取得することが可能となる。
【０１１２】
前述した第１の実施形態、第１乃至第２の変形例において、図４に示すように干渉対物レンズ３００が光軸方向に沿って移動し、相対距離を連続的に変化させている際に、制御本体部５１は、レーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力された出力信号を取得する。しかしこれに限定する必要はなく、以下に説明する第３の変形例を用いても良い。この第３の変形例は、図９、図１０に示すように例えば撮像素子１６から出力される出力信号を所望する回数取得した後、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号を所望する回数取得する。この順番は、逆でも良い。
【０１１３】
図９は、干渉対物レンズ３００を光軸に沿って移動させた際に制御本体部５１は撮像素子１６から出力される出力信号を取得し、干渉対物レンズ３００を原点位置に戻し再び干渉対物レンズ３００を光軸に沿って移動させた際に制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示す。また図１０は、干渉対物レンズ３００が光軸に沿って往復移動した際に、往路において制御本体部５１が撮像素子１６から出力される出力信号を取得し、復路において制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示す。図９、図１０に示す横軸、縦軸、「○」、「＋」、実線、破線は図４と同様である。
【０１１４】
図９に示すように駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００を光軸に沿って連続的に往復移動させて相対距離を変える際に、制御本体部５１は往路において撮像素子１６から出力される出力信号を所望する回数取得する。取得が完了すると、駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００を光軸に沿って原点位置（例えば下限位置）にまで戻す。つぎに駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００を光軸に沿って再び連続的に移動させる際に、制御本体部５１は往路においてレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を所望する回数取得する。
【０１１５】
また図１０に示すように駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００を光軸に沿って連続的往復移動させて相対距離を変える際に、制御本体部５１は往路において撮像素子１６から出力される出力信号を所望する回数取得する。取得が完了すると、制御本体部５１は、復路において（干渉対物レンズ３００を光軸に沿って連続的に逆移動させて）、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号を所望する回数取得する。
【０１１６】
本変形例の３次元形状観察装置１００は、第１の実施形態と同様に試料１７の３次元形状画像が短時間で取得できる。
【０１１７】
また例えば、図９、図１０に示すように制御本体部５１は例えばレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得している際に、撮像素子１６から出力される出力信号を基に画像処理部５３に高さ画像を形成させることができる。よって本変形例の３次元形状観察装置１００は、より短時間で３次元形状画像を取得することが可能となる。
【０１１８】
また図１０に示す３次元形状観察装置１００は、干渉対物レンズ３００が上述した相対距離を往復移動する際にレーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を取得するためにより短時間で３次元形状画像を取得することが可能となる。
【０１１９】
本変形例は、上述した第１の実施形態、第１の変形例、第２の変形例に組み込むことができるため、これらに本変形例の効果を組み込むことができる。
【０１２０】
次に図１１、図１２、図１３Ａ、図１３Ｂを参照して本発明に係る第２の実施形態について説明する。  
前述した第１の実施形態と同様の箇所には同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。  本実施形態の制御部５００以外の構成は、前述した第１の実施形態の第２の変形例（図７参照）と同様であるため、詳細な説明を省略する。本実施形態の制御部５００は、第１の制御本体部６１、第２の制御本体部６３、第３の制御本体部６５、第１の画像処理部６２、第２の画像処理部６４、第３の画像処理部６６を有する。第１の制御本体部６１、第２の制御本体部６３、第３の制御本体部６５は、指示部７００によって操作される。
【０１２１】
第１の制御本体部６１は、レーザ光源１の照明強度と、レーザ用受光素子１１の感度を制御し、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得し、表面光学像情報を形成する。第１の画像処理部６２は、この表面光学像情報から全焦点画像を形成する。
【０１２２】
第２の制御本体部６３は、白色光源１２の照明強度と、撮像素子１６の感度を制御し、撮像素子１６から出力される出力信号を取得し、高さ情報を形成する。第２の画像処理部６４は、この高さ情報から高さ画像を形成する。
【０１２３】
第３の制御本体部６５は、２次元走査機構４の走査と、光軸上に配置する干渉対物レンズ３００の切り替えるためにレボルバ４５を回転させる動作などを制御する。また第３の制御本体部６５は、駆動機構４０と接続している。
【０１２４】
第３の画像処理部６６は、第１の画像処理部６２によって形成された全焦点画像と、第２の画像処理部６４によって形成された高さ画像とを表示部６００に表示させる。また第３の画像処理部６６は、この全焦点画像とこの高さ画像を合成して試料１７の３次元形状画像を形成し、表示部６００に表示させる。また第３の画像処理部６６は、全焦点画像、高さ画像、３次元形状画像から表示倍率やアングルの調整、画像データのノイズ除去や傾き補正といった画像処理、さらには粗さ計測や線幅観察といった３次元観察などを行う。
【０１２５】
またメモリ５２は、第１の制御本体部６１、第２の制御本体部６３、第３の制御本体部６５と接続している。このメモリ５２には、第１の実施形態と同様に第１の画像処理部６２と、第２の画像処理部６４と、第３の画像処理部６６が試料１７の観察画像を形成する際に使用する設定パラメータや、上述した相対距離が調整される際に、例えば干渉対物レンズ３００が光軸に沿って移動するための移動量（一定のピッチ）が記憶されている。またメモリ５２は、第１の実施形態と同様に第１の制御本体部６１によって算出された表面情報を表面光学像情報として記憶し、第２の制御本体部６３によって算出された干渉像情報や高さ情報を記憶してもよい。
【０１２６】
このように制御部５００は、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号を第１の制御本体部６１に処理させ、撮像素子１６から出力される出力信号を第２の制御本体部６３に処理させる。これにより制御部５００は、取得した出力信号を同時（並列）に素早く処理する。
【０１２７】
図１２に本実施形態における制御部５００がレーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示す。図１２に示す横軸、縦軸は図４と同様である。図１２は、第３の制御本体部６５が駆動機構４０に干渉対物レンズ３００を光軸に沿って移動させた場合を想定している。
【０１２８】
図１２に示す「◇」は、第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するタイミングと、第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングが同時であることを示している。また図１２に示す「＋」は、第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示している。また図１２の左側に位置するグラフは、レーザ用受光素子１１と撮像素子１６における受光量の和の推移を実線にて示し、撮像素子１６における受光量の推移を破線にて示している。
【０１２９】
駆動機構４０は、図１２に示すように干渉対物レンズ３００を光軸方向に沿って一定速度で連続的に移動させる。その際、第１の制御本体部６１は、最適なタイミングで（図１２に示す「◇」）、レーザ用受光素子１１から出力された出力信号を取得する。同様に第２の制御本体部６３は、最適なタイミング（図１２に示す「◇」と「＋」、）で、撮像素子１６から出力された出力信号を取得する。上述したように第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するために干渉対物レンズ３００が移動するピッチは、一般的に第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するために干渉対物レンズ３００が移動するピッチより細かい。そのため図１２に示すように第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得する回数は、第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する回数よりも多くなっている。
【０１３０】
このように制御部５００は第１の制御本体部６１と第２の制御本体部６３を設けているため、干渉対物レンズ３００が光軸方向に沿って移動し、相対距離を連続的に変化させている際に、第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するタイミングと、第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングを同時にすることができる。
【０１３１】
また上述したように例えば低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００に代わって高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置されると、ピッチも変わる。したがって光軸上に配置される干渉対物レンズ３００が切り換わると、メモリ５２に記憶されている組み合わせから光軸上に配置された干渉対物レンズ３００の光学特性に応じたピッチが第１の制御本体部６１、第２の制御本体部６３、第３の制御本体部６５に入力される。第３の制御本体部６５は、駆動機構４０に、入力されたピッチだけ干渉対物レンズ３００を光軸に沿って移動させ、相対距離を調整させる。第１の制御本体部６１は、この相対距離におけるレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する。また第２の制御本体部６３は、この相対距離における撮像素子１６から出力される出力信号を取得する。
【０１３２】
また図１３Ａ、図１３Ｂは、光学特性（例えばＮＡ）が異なる２本の干渉対物レンズ３００のどちらか一方が光軸上に配置された際に、制御部５００がレーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示す。図１３Ａは低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置され、図１３Ｂは高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置されていることを示す。図１３Ａ、図１３Ｂに示す横軸、縦軸、「◇」、「＋」、実線、破線は、図１２と同様である。なお図１３Ｂにおいて、右側に位置するグラフに示される低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００における取得時間と相対距離の関係は、図１３Ａにおいて右側に位置するグラフに示される低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００における取得時間と相対距離の関係と同一である。
【０１３３】
図１３Ａと図１３Ｂを比較すると、第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際（図１３Ａ、図１３Ｂに示す「＋」のタイミング）、ピッチは干渉対物レンズ３００の光学特性に依存しないために、高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００のどちらが光軸上に配置されていても同一である。しかし第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するタイミングと、第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングが同時である（図１３Ａ、図１３Ｂに示す「◇」のタイミング）場合、図１３Ｂに示すように高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００のピッチは、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００のピッチよりも細かくなっている。
【０１３４】
これは高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置された場合、レーザ用受光素子１１の受光量の推移が急峻になるためである。そのためレーザ用受光素子１１から出力される出力信号をより細かいピッチで取得する必要があるためである。
【０１３５】
そのため高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置された場合の「◇」のタイミングと、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置された場合の「◇」のタイミングは、異なる。また高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置された場合の「◇」のタイミングの回数は、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置された場合の「◇」のタイミングの回数よりも多い。
【０１３６】
また図１１に示す構成であれば、同時だけではなく、第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するタイミングと、第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングを近接させることも可能である。この場合、取得するタイミングは異なっても、第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１を制御する時間と第２の制御本体部６３が撮像素子１６を制御する時間が重複する虞が生じる。また第１の制御本体部６１が出力信号を処理する時間と第２の制御本体部６３が出力信号を処理する時間とが重複する虞が生じる。しかしながら本実施形態の構成は、出力信号を処理する制御部を第１の制御本体部６１と第２の制御本体部６３とに分けており、それぞれ出力信号を独立して処理させている。また本実施形態の構成は、画像を形成する画像処理部を第１の画像処理部６２と第２の画像処理部６４とに分けており、それぞれ独立して画像を形成させている。
【０１３７】
よって制御部５００は、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号を第１の制御本体部６１に処理させ、撮像素子１６から出力される出力信号を第２の制御本体部６３に処理させる。これにより制御部５００は、取得した出力信号を同時（並列）に素早く処理する。
【０１３８】
また本実施形態は、第１の実施形態の第２の変形例と同様に光学フィルタ２３ａと光学フィルタ２３ｂを配置している。光学フィルタ２３ａは、レーザ用受光素子１１にレーザ光源１から出射されたレーザ光２のみを受光させ、白色光１３を反射させレーザ用受光素子１１に白色光１３を受光させることを防止する。また光学フィルタ２３ｂは、撮像素子１６に白色光源１２から出射された白色光１３のみを受光させ、レーザ光２を反射させ撮像素子１６にレーザ光２を受光させることを防止する。
【０１３９】
このように本実施形態の３次元形状観察装置１００は、干渉対物レンズ３００を連続で光軸に沿って移動させ、第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するタイミングと、第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングを同時にすることができ、レーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を各光学系に対して最適化したタイミングで取得する。これにより本実施形態は、試料１７の３次元形状画像をより短時間で取得することができる。
【０１４０】
また本実施形態の３次元形状観察装置１００は、レーザ用受光素子１１と撮像素子１６に対する制御部と画像処理部を分けて独立させているために、例えば画像形成などの処理を並列させることができる。これにより本実施形態における３次元形状観察装置１００は、試料１７の３次元形状画像をより短時間で取得することができる。
【０１４１】
また本実施形態の３次元形状観察装置１００は、第１の実施形態における第２の変形例と同様の効果を得ることができる。
【０１４２】
なお前述した第１、または第２の実施形態において、出力信号を取得するタイミングは上述したタイミングに限定する必要はない。以下に説明する第４の変形例のように例えば図１４Ａ、図１４Ｂに示すタイミングにて出力信号を取得してもよい。
【０１４３】
図１４Ａに示すように制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号のみを取得する際に、駆動機構４０は干渉対物レンズ３００を少なくとも１回静止させる。また制御本体部５１が撮像素子１６から出力される出力信号のみを取得する際に、駆動機構４０は干渉対物レンズ３００例えば等速で移動させ、相対距離を連続的に変える。
【０１４４】
なお駆動機構４０は、制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号のみを取得する際に、干渉対物レンズ３００に限定する必要はなく、干渉対物レンズ３００とステージ２００の少なくとも一方を１回静止すればよい。またその際、駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００に限定する必要はなく、干渉対物レンズ３００とステージ２００の少なくとも一方を移動させ、相対距離を連続的に変えればよい。
【０１４５】
また図１４Ｂに示すように、第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される第１の出力信号を取得するタイミングと、第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される第２の出力信号を取得するタイミングと、が同時の（「◇」のタイミング）場合、駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００を少なくとも１回静止させる。また第２の制御本体部６３が、撮像素子１６から出力される第２の出力信号のみを取得する（「＋」のタイミング）場合、駆動機構４０は干渉対物レンズ３００を例えば等速で移動させ、相対距離を連続的に変える。
【０１４６】
なお「◇」のタイミングの場合、駆動機構４０は、相対距離を連続的に変える際、干渉対物レンズ３００に限定する必要はなく、干渉対物レンズ３００とステージ２００の少なくとも一方を１回静止すればよい。またまた第２の制御本体部６３が、撮像素子１６から出力される第２の出力信号のみを取得する際、駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００に限定する必要はなく、干渉対物レンズ３００とステージ２００の少なくとも一方を例えば等速で移動させ、相対距離を連続的に変えればよい。
【０１４７】
例えばレーザ用受光素子１１がレーザ光２を受光する場合、３次元形状観察装置１００は、相対距離の変化を静止させ、２次元走査機構４によってレーザ光２を試料１７表面に対して走査する必要がある。しかしながら撮像素子１６が白色光１３を受光する際、この動作は不要である。走査のために相対距離の変化が静止されているために、顕微干渉計測法は、干渉像の取得に時間がかかる。また干渉対物レンズ３００が連続して移動（相対距離が連続的に変化）しながらレーザ用受光素子１１がレーザ光２を受光すると、３次元形状観察装置１００の光学系４００ａは、特定の観察条件のもとでは３次元形状画像を取り込みたい観察視野内で正確な全焦点画像を得られない虞が生じる。このような観察条件とは、例えば干渉対物レンズ３００の焦点深度や、２次元走査機構４の駆動（走査）周期、観察視野範囲、または試料１７表面の凹凸などである。
【０１４８】
また３次元形状観察装置１００が、光学系４００ａによって試料１７の高さ画像も取得する場合、相対距離を連続的に変化させながらレーザ用受光素子１１にレーザ光２を受光させると、正確な高さ画像を容易に取得することができない。
【０１４９】
そこで３次元形状観察装置１００が光学系４００ａによって高精度な試料１７の全焦点画像と高さ画像を取得するために、本変形例は、レーザ用受光素子１１がレーザ光２を受光する際に、駆動機構４０にて例えば干渉対物レンズ３００を静止させ、相対距離の変化を静止させる。
【０１５０】
例えば図４において、本変形例は、制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する場合のみ、駆動機構４０に例えば干渉対物レンズ３００を静止させ、相対距離の変化を静止させる。これにより制御本体部５１は、上述した図１４Ａに示すように相対距離の変化が静止した際に、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する。
【０１５１】
また例えば図１２において、本変形例は、第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する（図１２に示す「◇」のタイミング）場合のみ、駆動機構４０に例えば干渉対物レンズ３００を静止させ、相対距離の変化を静止させる。これにより第１の制御本体部６１、第２の制御本体部６３は、図１４Ｂに示すように相対距離の変化が静止した際に、レーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を同時に取得する。
【０１５２】
図１４Ｂに示すように第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するタイミングと第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングは同時である。よって本変形例は、撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングにおいても干渉対物レンズ３００を静止させることになる。
【０１５３】
このように第２の実施形態において本変形例は、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するタイミングに限定する必要はなく、撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングにおいて、干渉対物レンズ３００を静止させ、相対距離の変化を静止させても構わない。
【０１５４】
なお図１４Ａ、図１４Ｂに示すように３次元形状観察装置１００が干渉対物レンズ３００を光軸に沿って移動させている移動状態から干渉対物レンズ３００を静止させる静止状態、または静止状態から移動状態に干渉対物レンズ３００を変化させる際、干渉対物レンズ３００の速度変化は不連続である。この状態を部分的に拡大した図を図１５（Ａ）に示す。このように速度変化が不連続である場合、例えば干渉対物レンズ３００が急に静止すると、干渉対物レンズ３００が振動する可能性が生じる。そのため３次元形状観察装置１００は、例えば干渉対物レンズ３００を移動させて相対距離を変化させる際に、振動が治まるまで待たなければならず、観察に対して時間を要してしまう虞が生じる。
【０１５５】
そのため本変形例において駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００の移動速度を連続的に変化させる。つまり駆動機構４０は、移動している干渉対物レンズ３００を徐々に静止させ、また静止している干渉対物レンズ３００を徐々に移動させる。これにより本変形例は、図１５（Ｂ）に示すように干渉対物レンズ３００の速度変化を連続的にすることもできる。よって本変形例は、干渉対物レンズ３００の連続的な速度変化を制御することで、干渉対物レンズ３００を静止、または移動させた際に生じる振動を抑えることができる。
【０１５６】
このように本変形例における３次元形状観察装置１００は、光学系４００ａによって試料１７の全焦点画像や高さ画像を高精度に取得することができるため、より高精度、短時間に試料１７の３次元形状画像を取得することができる。
【０１５７】
また前述した第１の実施形態、第１の変形例、第２の変形例、第２の実施形態は、例えば干渉対物レンズ３００を一定の等速度で連続して移動させ、相対距離を一定の割合で変化させている。しかしながらこの場合、駆動機構４０が相対距離を変化させるために干渉対物レンズ３００を移動させる速度は、例えば制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力された出力信号を取得する条件に合わせる必要がある。そのため例えば制御本体部５１が撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際、速度が遅い状態である。
【０１５８】
しかしながら本変形例は、例えば制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力された出力信号を取得する際、干渉対物レンズ３００を静止させるため、この速度を制御本体部５１が撮像素子１６から出力される出力信号を取得する条件に合わせて最適化できる。よって本変形例は、第１の実施形態、第１の変形例、第２の変形例、第２の実施形態と比較して、より短時間で３次元形状画像を取得することができる。
【０１５９】
また前述した第１、または第２の実施形態において、出力信号を取得するタイミングは上述したタイミングに限定する必要はない。以下に説明する第５の変形例のように例えば図１６Ａ、図１６Ｂに示すタイミングにて出力信号を取得してもよい。本変形例において３次元形状観察装置１００は、例えば干渉対物レンズ３００を連続して光軸に沿って移動させている際に、図１６Ａ、図１６Ｂに示すように一時的に干渉対物レンズ３００の移動速度を変化させ、相対距離の変化を可変させる。本変形例は、相対距離の変化を可変させている際に、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する。
【０１６０】
上述した第４の変形例は、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する際に、上述した観察条件によって干渉対物レンズ３００を静止させ、相対距離の変化を静止させている。しかしこれら観察条件によっては、相対距離の変化を静止させる必要がない場合も生じる。ただし相対距離の変化させるための干渉対物レンズ３００の移動速度が、例えば制御本体部５１が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するために最適な速度まで上昇すると、３次元形状観察装置１００は光学系４００ａによって試料１７の全焦点画像、必要によっては高さ画像を高精度に取得することができない虞が生じる。
【０１６１】
そのため本変形例において、制御本体部５１、または第１の制御本体部６１と第２の制御本体部６３がレーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際に、駆動機構４０は例えば干渉対物レンズ３００の移動速度を制御する。この移動速度は、制御本体部５１、または第１の制御本体部６１、第２の制御本体部６３がレーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を取得するための最適な速度となる。
【０１６２】
例えば第１の実施形態の図４において、制御本体部５１がレーザ用受光素子１１と撮像素子１６から出力される出力信号を取得する場合、本変形例において駆動機構４０は干渉対物レンズ３００の移動速度を可変させている。つまり図１６Ａに示すように駆動機構４０は、相対距離を変える際に、干渉対物レンズ３００を光軸に沿って移動させる際の移動速度を、制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する場合と、制御本体部５１が撮像素子１６から出力される出力信号を取得する場合で変えている。
【０１６３】
なお駆動機構４０は、相対距離を変える際に、干渉対物レンズ３００の移動速度のみを変えることに限定する必要はなく、干渉対物レンズ３００とステージ２００の少なくとも一方の移動速度を、それぞれの場合で変えればよい。
【０１６４】
また例えば第２の実施形態の図１２に示すように、第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するタイミングと第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングが同時である場合と、第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得する場合において、本変形例の駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００の移動速度を可変させている。つまり図１６Ｂに示すように駆動機構４０は、相対距離を変える際に、干渉対物レンズ３００を光軸に沿って移動させる際の移動速度を、第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するタイミングと、第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングと、が同時の場合と、第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号のみを取得する場合と、で変えている。
【０１６５】
なお駆動機構４０は、相対距離を変える際に、干渉対物レンズ３００の移動速度のみを変えることに限定する必要はなく、干渉対物レンズ３００とステージ２００の少なくとも一方の移動速度を、それぞれの場合で変えればよい。
【０１６６】
このように本変形例において、「◇」のタイミングにおける干渉対物レンズ３００の移動速度と、「＋」のタイミングにおける干渉対物レンズ３００の移動速度は、それぞれ異なる。
【０１６７】
また図１６Ｂに示すように第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するタイミングと第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングは同時である。そのため第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングであっても第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するタイミングである場合、干渉対物レンズ３００の移動速度は、第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するための最適な速度に可変される。つまり「◇」のタイミングの場合、干渉対物レンズ３００の移動速度は、第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するための最適な速度に可変される。
【０１６８】
この場合、２次元走査機構４によってレーザ光２を試料１７表面に対して走査する必要があるため、レーザ用受光素子１１から出力された出力信号を取得するための最適な干渉対物レンズ３００の移動速度は、撮像素子１６から出力された出力信号を取得するための最適な干渉対物レンズ３００の移動速度より一般的に遅くなってしまう。
【０１６９】
よって本変形例は、「＋」のタイミングにおける干渉対物レンズ３００の移動速度を「◇」のタイミングにおける干渉対物レンズ３００の移動速度と同一にしても良い。これにより本変形例は、高精度な試料１７の高さ画像を取得することができる。
【０１７０】
なお図１６Ａ、図１６Ｂに示すように３次元形状観察装置１００が干渉対物レンズ３００を光軸に沿って移動させている移動状態から干渉対物レンズ３００を減速させる減速状態、または減速状態から移動状態に干渉対物レンズ３００を変化させる際、干渉対物レンズ３００の速度変化は不連続である。この状態を部分的に拡大した図を図１７（Ａ）に示す。このように速度変化が不連続である場合、例えば干渉対物レンズ３００が急に減速すると、干渉対物レンズ３００が振動する可能性が生じる。そのため３次元形状観察装置１００は、例えば干渉対物レンズ３００を移動させて相対距離を変化させる際に、振動が治まるまで待たなければならず、観察に対して時間を要してしまう虞が生じる。
【０１７１】
そのため本変形例は、第４の変形例と同様に駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００の移動速度を連続的に変化させる。つまり駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００の移動速度を徐々に下げ、また干渉対物レンズ３００の移動速度を徐々に上げる。これにより本変形例は、図１７（Ｂ）に示すように干渉対物レンズ３００の速度変化を連続的にすることもできる。よって本変形例は、干渉対物レンズ３００の連続的な速度変化を制御することで、干渉対物レンズ３００を減速、または加速させた際に生じる振動を抑えることができる。
【０１７２】
これにより本変形例における３次元形状観察装置１００は、光学系４００ａによって試料１７の全焦点画像や高さ画像を高精度に取得することができるため、より高精度、短時間に試料１７の３次元形状画像を取得することができる。
【０１７３】
また前述した第１の実施形態、第１の変形例、第２の変形例、第２の実施形態は、干渉対物レンズ３００を一定の等速度で連続して移動させ、相対距離を一定の割合で変化させている。しかしながらこの場合、駆動機構４０が相対距離を変化させるために干渉対物レンズ３００を移動させる速度は、例えば制御本体部５１がレーザ用受光素子１１から出力された出力信号を取得する条件に合わせる必要がある。そのため例えば制御本体部５１が撮像素子１６から出力される出力信号を取得する際、速度が遅い状態である。
【０１７４】
また３の変形例は、観察条件によっては干渉対物レンズ３００を静止させる必要はない。このような場合に、駆動機構４０が干渉対物レンズ３００を静止させると、試料１７の３次元形状画像の取得に時間を要してしまう。
【０１７５】
しかしながら本変形例は、例えば第１の制御本体部６１がレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得するタイミングと第２の制御本体部６３が撮像素子１６から出力される出力信号を取得するタイミングにおいて、干渉対物レンズ３００の移動速度を最適化できるために、第１の実施形態、第１の変形例、第２に変形例、第２の実施形態、第１の変形例よりも短時間に試料１７の３次元形状画像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７６】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る３次元形状観察装置の構成図である。
【図２】図２は、偏光ビームスプリッタの反射光路上に配置される部材の配置に対する変形例である。
【図３】図３は、干渉対物レンズの変形例を示し、シャッタを有するマイケルソン型の干渉光学系を示している。
【図４】図４は、制御本体部がレーザ用受光素子と撮像素子から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示す。
【図５Ａ】図５Ａは、高いＮＡを有する干渉対物レンズと低いＮＡを有する干渉対物レンズを有するレボルバの構成図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、光学特性（例えばＮＡ）が異なる２本の干渉対物レンズのどちらかが光軸上に配置された際に、制御本体部がレーザ用受光素子と撮像素子から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示している。
【図６】図６は、第１の実施形態に係る第１の変形例における３次元形状観察装置の構成図である。
【図７】図７は、第１の実施形態に係る第２の変形例における３次元形状観察装置の構成図である。
【図８】図８は、光学フィルタの反射透過率特性を示している。
【図９】図９は、第１の実施形態に係る第３の変形例を示し、干渉対物レンズを光軸に沿って移動させた際に制御本体部は撮像素子から出力される出力信号を取得し、干渉対物レンズを原点位置に戻し再び干渉対物レンズを光軸に沿って移動させた際に制御本体部がレーザ用受光素子から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示す。
【図１０】図１０は、第１の実施形態に係る第３の変形例を示し、干渉対物レンズが光軸に沿って往復移動した際に、往路において制御本体部が撮像素子から出力される出力信号を取得し、復路において制御本体部がレーザ用受光素子から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示す。
【図１１】図１１は、第２の実施形態に係る３次元形状観察装置の構成図である。
【図１２】図１２は、第１の制御本体部、第２の制御本体部がレーザ用受光素子と撮像素子から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示す。
【図１３Ａ】図１３Ａは、低いＮＡを有する干渉対物レンズが光軸上に配置された際に、第１の制御本体部、第２の制御本体部がレーザ用受光素子と撮像素子から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示している。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、高いＮＡを有する干渉対物レンズが光軸上に配置された際に、第１の制御本体部、第２の制御本体部がレーザ用受光素子と撮像素子から出力される出力信号を取得する際のタイミングを示している。
【図１４Ａ】図１４Ａは、第１の実施形態において、制御本体部がレーザ用受光素子と撮像素子から出力される出力信号を取得する際のタイミングの第４の変形例を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、第２の実施形態において、第１の制御本体部、第２の制御本体部がレーザ用受光素子と撮像素子から出力される出力信号を取得する際のタイミングの第４の変形例を示す。
【図１５】図１５は、干渉対物レンズの速度変化が不連続である場合と、連続している場合を示す図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、第１の実施形態において、制御本体部がレーザ用受光素子と撮像素子から出力される出力信号を取得する際のタイミングの第５の変形例を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、第２の実施形態において、第１の制御本体部、第２の制御本体部がレーザ用受光素子と撮像素子から出力される出力信号を取得する際のタイミングの第５の変形例を示す。
【図１７】図１７は、干渉対物レンズ３００の速度変化が不連続である場合と、連続している場合を示す図である。
【図１８】図１８は、共焦点レーザ走査型顕微鏡の構成と顕微干渉計測法の構成を組み合わせた従来の３次元形状観察装置の構成図である。
【図１９】図１９は、干渉対物レンズの変形例を示し、マイケルソン型の干渉光学系を示している。
【図２０】図２０は、第１のビームスプリッタの反射透過率特性を示している。
【図２１】図２１は、第２のビームスプリッタ、ハーフミラー、対物用偏光ビームスプリッタの反射透過率特性を示している。
【符号の説明】
【０１７７】
１…レーザ光源、２…レーザ光、３…偏光ビームスプリッタ、４…２次元走査機構、５…瞳投影レンズ、６…第１の結像レンズ、７…１／４波長板、８…第１のビームスプリッタ、９…第２の結像レンズ、１０…ピンホール、１１…レーザ用受光素子、１２…白色光源、１３…白色光、１４…第２のビームスプリッタ、１５…第３の結像レンズ、１６…撮像素子、１７…試料、１９…ハーフミラー、２０…レーザ用受光素子、２２ａ，２２ｂ…シャッタ、２３ａ，２３ｂ…光学フィルタ、３１…対物レンズ、３２…ハーフミラー、３３…参照板、３４…対物用ビームスプリッタ、３５…参照ミラー、３６…シャッタ、５１…制御本体部、５２…メモリ、５３…画像処理部、１００…３次元形状観察装置、２００…ステージ、３００…干渉対物レンズ、４００…顕微鏡本体、４００ａ，４００ｂ…光学系、５００…制御部、６００…表示部、７００…指示部。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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