(57)【要約】【課題】フェムト秒レーザー光を使用してもそのメリットを生かすことが出来て、被検物の表面の微細な凹凸でも高精度の計測が可能な計測装置を提供すること。【解決手段】反射面（２１２）を有する偏向部材（Ｘ軸偏向素子２１とＹ軸偏向素子２４）と、前記反射面内または前記反射面近傍に沿った軸（回転軸２１５）中心に前記偏向部材を回動駆動する駆動部（駆動回路２３）と、前記反射面を介して被検物に測定光を照射する照射部（ビームスプリッタ１２）と、前記測定光が前記被検物で反射した戻り光を受光する受光部（フォトディテクタ１４）とを備え、前記照射部は前記軸の位置または前記軸の近傍の前記偏向部材へ前記測定光を照射し、前記受光部からの情報により前記被検物の形状を測定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射面を有する偏向部材と、
前記反射面内または前記反射面近傍に沿った軸中心に前記偏向部材を回動駆動する駆動部と、
前記反射面を介して被検物に測定光を照射する照射部と、
前記測定光が前記被検物で反射した戻り光を受光する受光部と、を備え、
前記照射部は前記軸の位置または前記軸の近傍の前記偏向部材へ前記測定光を照射し、前記受光部からの情報により前記被検物の形状を測定することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の計測装置において、
前記戻り光の少なくとも一部を分岐する分岐部をさらに備え、
前記受光部は前記測定光の前記偏向部材から前記被検物へ至る光路を逆に進む前記戻り光の少なくとも一部を受光するように配置されていることを特徴とする計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の計測装置において、
前記偏向部材は、前記軸の軸方向両端位置で前記反射面に接して回転可能に支持する一対の支持軸を有することを特徴とする計測装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか一項に記載の計測装置において、
前記偏向部材は、一対の前記反射面を有し、一方の前記反射面に入射して反射する光路を含む面内に他方の前記反射面の前記軸が含まれることを特徴とする計測装置。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一項に記載の計測装置において、
前記測定光はフェムト秒レーザー光であることを特徴とする計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばフェムト秒レーザー光などを使用して被検物の３次元形状を非接触で計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フェムト秒レーザー光を使用した計測装置として、例えば、フェムト秒レーザー光を二つに分け、一方のレーザー光を参照光とし、他方のレーザー光を拡大光学系によってビーム径を拡大した後、照射光として被検物に照射し、この被検物から反射してくる戻り光（反射光）の位相と参照光の位相とを比較し、両者の位相の位相差を求めて、被検物までの距離を計測する計測装置が提案されている（特許文献１）。
【０００３】
上記計測装置は、波長安定性が非常に優れていて、高精度の計測が可能となる、フェムト秒レーザー光の特性を生かしたもので、被検物に照射されるレーザー光（照射光）としてはビーム径を拡大したビームを使用している。
【０００４】
【非特許文献１】ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ（２００５）Ｎｏ．８Ｐ．１０３〜１０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記計測装置を使用して被検物の３次元形状を計測する場合、ビーム径を拡大していることから被検物表面の微細な凹凸を含めて精度良く計測することは非常に困難である。被検物表面の微細な凹凸まで高精度で計測するには、例えばビーム径を縮小したビーム（照射光）を使用することが考えられるが、このとき問題となるのが、照射光を被検物表面に走査させ、該被検物表面から反射してくる戻り光（反射光）を照射光の光路上を通って位相計などを装備した測定部に導く光学系の部分である。この光学系の部分でも、特に、照射光を振って被検物表面に走査させる一方、被検物表面から戻ってくる戻り光（反射光）を反射させて照射光の光路上に導くミラー部分である。
【０００６】
ミラー部分では被検物に行く照射光や被検物から戻ってきた戻り光（反射光）が入射・反射を繰り返す箇所であり、ミラー部分の回転によりこれら参照光、戻り光（反射光）の入射・反射箇所が異なる（ずれると）と高精度の計測が困難となる。
【０００７】
ビーム径を拡大した場合では、ミラー部分上の照射光、戻り光（反射光）の入射・反射箇所はある程度の拡がりをもっており、ミラー部分の回転により入射・反射箇所がずれてもそれ程問題にはならないが、ビーム径を絞ると、事情は一転し、フェムト秒レーザー光を使用したことのメリットを生かすことが出来なくなってしまうおそれがある。
【０００８】
本発明は、フェムト秒レーザー光を使用してもそのメリットを生かすことが出来て、被検物の表面の微細な凹凸でも高精度の計測が可能な、計測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】
【０００９】
上記目的を達成する本発明の請求項１に記載の計測装置は、反射面を有する偏向部材と、前記反射面内または前記反射面近傍に沿った軸中心に前記偏向部材を回動駆動する駆動部と、前記反射面を介して被検物に測定光を照射する照射部と、前記測定光が前記被検物で反射した戻り光を受光する受光部と、を備え、前記照射部は前記軸の位置または前記軸の近傍の前記偏向部材へ前記測定光を照射し、前記受光部からの情報により前記被検物の形状を測定することを特徴とする。
【００１０】
前記偏向部材としては、例えば、Ｘ軸偏向素子２１とＹ軸偏向素子２４（図１参照）などがある。
【００１１】
前記駆動部としては、例えば、クーロン力を利用してＸ軸偏向素子２１の微小ミラー２１２、Ｙ軸偏向素子２４の微小ミラー２４２を回動する駆動回路２３（図６参照）などがある。
【００１２】
前記照射部としては、例えば、レーザー光源１１からのレーザ光を基準光（参照光）と被検物Ｔに照射する測定光（プローブ光）とに分割して、該測定光をＸ軸偏向素子２１の反射面２１４に導くビームスプリッタ１２などがある。
【００１３】
前記受光部としては、例えば、フォトディテクタ１４（図１参照）などがある。
【００１４】
本発明の請求項２に記載の計測装置には、前記戻り光の少なくとも一部を分岐する分岐部をさらに備え、前記受光部は前記測定光の前記偏向部材から前記被検物へ至る光路を逆に進む前記戻り光の少なくとも一部を受光するように配置されていることを特徴とする。
【００１５】
前記分岐部としては、例えば、前記被検物と前記受光部との間の光路に配置されたＹ軸偏向素子２４、Ｘ軸偏向素子２１、ビームスプリッタ１２などがある。
【００１６】
本発明の請求項３に記載の計測装置は、前記偏向部材が、前記軸の軸方向両端位置で前記反射面に接して回転可能に支持する一対の支持軸を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項４に記載の計測装置は、前記偏向部材が、一対の前記反射面を有し、一方の前記反射面に入射して反射する光路を含む面内に他方の前記反射面の前記軸が含まれることを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項５に記載の計測装置は、前記測定光がフェムト秒レーザー光であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、被検物の表面の微細な凹凸でも高精度の計測が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の計測装置の一実施形態について図１乃至図６を参照して説明する。
【００２１】
図１は本発明の計測装置の一実施形態を示す機能ブロック図、図２は図１に示すＸ軸偏向素子の、プローブ光が該Ｘ軸偏向素子に入射する方向からみた上面図、図３は図２の３−３線に沿う断面図、図４は図２の４−４線に沿う断面図、図５はプローブ光が被検物上を走査する状態を説明する説明図、図６は図１に示すＸ軸偏向素子とＹ軸偏向素子を駆動する駆動回路のブロック図である。
【００２２】
本実施形態の計測装置には、図1に示すように、測定部１０と走査部２０と演算部３０とが装備される。
【００２３】
測定部１０は、フェムト秒レーザー光を発し、この位相と被検物Ｔからの戻り光（反射光）の位相を比較して、その位相差を演算部３０に出力する装置である。
【００２４】
具体的には、測定部１０は、フェムト秒レーザー光を発射するレーザー光源１１と、このレーザー光を基準光（参照光）と被検物Ｔに照射する測定光（プローブ光）とに分割するビームスプリッタ１２と、フォトディテクタ１３と、フォトディテクタ１４と、位相計１５とを備える。フォトディテクタ１３は、ビームスプリッタ１２によって分割され、反射された基準光を受光し電気信号に変換する。フォトディテクタ１４は、被検物Ｔから走査部２０を通って測定部１０のビームスプリッタ１２に入射し、反射された戻り光を受光して電気信号に変換する。位相計１５は、これらフォトディテクタ１３とフォトディテクタ１４から電気信号（出力）を入力して両者（基準光と戻り光）の位相差（位相データ）を求め、この位相データを演算部３０に出力する。
【００２５】
ビームスプリッタ１２は、レーザー光を基準光（参照光）と測定光（プローブ光）とに分割する一方、分割したプローブ光を透過させて走査部２０に導く、照射部として機能する。また、ビームスプリッタ１２は、被検物Ｔから走査部２０を通って戻ってきた戻り光をフォトディテクタ１４側に分岐する分岐部としても機能する。
【００２６】
走査部２０は、プローブ光をプローブ光の進行方向に対して垂直な方向（ＸＹ方向）に走査する光学装置である。
【００２７】
具体的には、走査部２０は、プローブ光を被検物Ｔの表面に走査するためのＸ軸偏向素子２１及びＹ軸偏向素子２４と、これらＸ軸偏向素子２１とＹ軸偏向素子２４を駆動する駆動回路２６とを備える。Ｘ軸偏向素子２１とＹ軸偏向素子２４とは、同一構成で、同一機能なので、Ｙ軸偏向素子２４の説明は省略し、Ｘ軸偏向素子２１について説明する。
【００２８】
Ｘ軸偏向素子２１は、図２ないし図４に示すように、基板２１０と、この基板２１０内に２つのピボット２１１によって所定の角度範囲で回転振動（揺動）可能に装備された微小ミラー２１２とを備える。
【００２９】
基板２１０は、例えばシリコンを主成分とする半導体材料を使用し、フォトリソグラフィなどの加工方法によって図２ないし図４に示すように略ボックス状に加工され且つ駆動回路２３の構成部品である集積回路などが形成される。基板２１０には、プローブ光が入射する側の面部に該プローブ光が通過する反射窓２１３が設けられ、また該面部と対向する側の面部に微小ミラー２１２が配置されている。この反射窓２１３は、微小ミラー２１２の反射面２１４を囲んで、該反射面２１４よりやや広い面積を有する開口である。プローブ光は、反射窓２１３を通って微小ミラー２１２の反射面２１４に向かい、該反射面２１４で反射して、再びこの反射窓２１３を通って、Ｙ軸偏向素子２４に向う。
【００３０】
ピボット２１１は基板２１０に設けられた円錐形の部材である。図３及び図４に示すように、２つのピボット２１１は、反射窓２１３を挟んで基板２１０の両側に設けられ、それぞれの頂点が微小ミラー２１２の反射面２１４に当接している。
【００３１】
微小ミラー２１２は、２つのピボット２１１によって回転振動（揺動）可能に支持される。すなわち、微小ミラー２１２は、２つのピボット２１１の頂点どうしを結んだ直線を中心に回転振動（揺動）する。この直線は、反射面２１４の面内に位置する、微小ミラー２１２（反射面２１４）の軸としての回転軸２１５である。したがって、反射面２１４の回転軸２１５上に光が入射し、反射する場合には、微小ミラー２１２（反射面２１４）の回転によって光の入射・反射箇所は変化せず、常に回転軸２１５上にある。
【００３２】
微小ミラー２１２は、上述の如く、プローブ光をＹ軸偏向素子２４に向けて反射するミラーであって、２つのピボット２１１により支持されており、そして回転軸２１５に沿って反射面２１４の両側に設けられた一対のヒンジ２１６によって基板２１０に接続している。この一対のヒンジ２１６は、微小ミラー２１２の回転時に該回転を許容するように捩れが可能な幅（回転軸２１５と直交する方向の寸法）及び厚さに設定されている。
【００３３】
プローブ光は、その光軸と反射面２１４の中央にある回転軸２１５とが交わる交点２１７を中心とする領域に入射し、ここで反射する。この交点２１７は、回転軸２１５上にあるので、微小ミラー２１２が回転しても、その位置は移動しない。従って、プローブ光はこの交点２１７を頂点とする安定した円錐の範囲に反射されるので、プローブ光の被検物Ｔの表面を走査する位置（測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・（図５参照））が、主走査方向及び副走査方向に外れるおそれがない。
【００３４】
また、被検物Ｔへのプローブ光と被検物Ｔからの戻り光は、微小ミラー２１２の回転によって位置が変動しない、反射面２１４の面内にある回転軸２１５上の交点２１７の箇所で入射・反射を繰り返すことになり、反射面２１４の回転のたびに反射面２１４上の光の入射・反射箇所がずれることがなく、被検物Ｔの表面の微細な凹凸を計測するためにビーム径を縮小させても何ら支障が生じない。
【００３５】
微小ミラー２１２は、例えば、光の反射率の高いアルミニウムを主成分とする金属からなり、導電性があり、また厚さが約１００μｍに設定され、プローブ光を反射する反射面２１４の１辺が、プローブ光のビーム径の約２倍の約２ｍｍ四方の大きさに設定されている。微小ミラー２１２は、その質量が非常に小さいので、回転振動による振動は殆ど発生せず、よって、被検物Ｔに向うプローブ光の方向も振動しない。このことからも、プローブ光の被検物Ｔの表面を走査する位置（測定点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・）が、主走査方向及び副走査方向に外れるおそれがない。
【００３６】
微小ミラー２１２と対向する基板２１０の表面箇所には、一対の駆動電極２１８が設けられている。一対の駆動電極２１８が設けられる位置は、反射窓２１３の両側で、回転軸２１５に対して線対称な位置である。駆動電極２１８は、交番電圧が印加される電極である。駆動電極２１８に交番電圧が印加されると、駆動電極２１８と微小ミラー２１２との間に働くクーロン力により、図４に示すように、微小ミラーは矢印Ａ１の方向に回転振動（揺動）する。
【００３７】
図４には微小ミラー２１２が回転振動している様子が表されている。図中、破線が最も大きく振れている微小ミラー２１２の位置を表している。プローブ光が微小ミラー２１２に入射しているときに微小ミラー２１２が矢印Ａ１の方向に回転振動すると、プローブ光は微小ミラー２１２の反射面２１４で反射して、矢印Ａ２の方向に振動しながら、Ｙ軸偏向素子２４に向かう。微小ミラー２１２が矢印Ａ１の方向に回転振動すると、プローブ光は、図５に示すように、被検物Ｔ上を主走査方向に移動する。
【００３８】
Ｙ軸偏向素子２４は、Ｘ軸偏向素子２１の反射面２１２を反射したプローブ光が進行する光路上に配置されていて（図１参照）、その微小ミラー２４２（図６参照）の不図示の反射面内に該反射面の回転軸が含まれる。この不図示の反射面には、一対の円錐状のピボットの頂点が当接しており、このピボットの頂点間を結ぶ直線が該反射面内に含まれる回転軸となっていることは上述したＸ軸偏向素子２１の反射面２１２と同様である。
【００３９】
Ｙ軸偏向素子２４に向うプローブ光は、その光軸とＹ軸偏向素子２４の微小ミラー２４２（図６参照）の不図示の反射面にある回転軸との交点に入射する。Ｘ軸偏向素子２１の微小ミラー２１２で反射したプローブ光が図４の矢印Ａ２の方向に振動すると、そのプローブ光の入射位置はＹ軸偏向素子２４の不図示の回転軸上を往復振動する。そして、Ｙ軸偏向素子２４の微小ミラー２４２がＸ軸偏向素子２１の微小ミラー２１２と同様に回転振動すると、その反射光は被検物Ｔに向かい、図５に示すように、被検物Ｔ上を副走査方向に移動する。主走査方向と副走査方向とは、互いに直交する方向で、Ｘ軸偏向素子２１とＹ軸偏向素子２４とでプローブ光を被検物Ｔ上でラスタースキャンさせる。
【００４０】
なお、被検物Ｔの表面を反射した光のうち、一部の光（戻り光）はプローブ光と同じ光路上をＹ軸偏向素子２４、Ｘ軸偏向素子２１を通って走査部２０から測定部１０に至り、該測定部１０のビームスプリッタ１２に入射し、該ビームスプリッタ１２を反射してフォトディテクタ１４によって受光される。
【００４１】
Ｘ軸偏向素子２１の微小ミラー２１２とＹ軸偏向素子２４の微小ミラー２４２（図６参照）とは、駆動回路２３によって駆動される。この駆動回路２３は、被検物Ｔ上のプローブ光が主走査と副走査とを行うように、Ｘ軸偏向素子２１の微小ミラー２１２とＹ軸偏向素子２４の微小ミラー２４２を駆動する回路で、図６に示すように、同期回路２３１と、主走査回路２３２と、副走査回路２３３と、４つの電圧源２３４，２３５，２３６，２３７とが設けられている。
【００４２】
同期回路２３１は、主走査回路２３２と副走査回路２３３とを同期して駆動する回路で、その同期タイミングを表す同期パルスを演算部３０に出力する。
【００４３】
主走査回路２３２は、プローブ光が被検物Ｔの測定点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４・・・・を通り過ぎるような掃引信号（以降、この信号を主走査信号と称す）を、一対の電圧源２３４，２３５に出力する回路である。この一対の電圧源２３４，２３５は、Ｘ軸偏向素子２１の一対の駆動電極２１８に、主走査信号を増幅した交番電圧を出力する。この交番電圧が印加されると、微小ミラー２１２は、プローブ光が被検物Ｔ上を主走査する角度（図４の矢印Ａ１の方向）に回転振動する。
【００４４】
副走査回路２３３は、主走査回路２３２の出力信号が１回の主走査を経過するごとに、プローブ光が図５に示す被検物Ｔの測定点Ｓ１，Ｓ１１，Ｓ２１・・・・を通り過ぎるような掃引信号（以降、この信号を副走査信号と称す）を、一対の電圧源２３６，２３７に出力する回路である。一対の電圧源２３６，２３７は、Ｙ軸偏向素子２４の一対の駆動電極２４８に、副走査信号を増幅した交番電流を出力する。一対の駆動電極２４８に、この交番電流が印加されると、微小ミラー２４２は、プローブ光が被検物上を副走査する角度に回転振動（揺動）する。
【００４５】
演算部３０は、測定部１０からの位相データと走査部２０からの同期パルスとを入力して、測定点毎に走査部１０から被検物Ｔの測定点までの距離を演算する回路で、求めた距離データは外部のＣＡＤ／ＣＡＭ装置などに出力する。演算部３０には演算回路３１が設けられている。この演算回路３１は、同期パルスから各測定点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・の主走査方向の位置座標（Ｘ座標）と副走査方向の位置座標（Ｙ座標）とを求め、各測定点のＸ座標とＹ座標に、位相データがあらわす各測定点の距離データをＺ座標として対応させる回路である。
【００４６】
以上のように構成された本実施形態の計測装置によれば、微小ミラー２１２の反射面２１４に円錐状の２つのピボット２１１の頂点を当てて、これらピボット２１１で反射面２１４を支持して、ピボット２１１間を結ぶ直線である回転軸２１５を反射面２１４の面内に位置させるようにしてあり、また微小ミラー２４２についても同じようにしてあり、そして、微小ミラー２１２の回転により位置が変動しない反射面２１４の面内にある回転軸２１５上の箇所、微小ミラー２４２の回転により位置が変動しない反射面の面内にある回転軸上の箇所に、プローブ光や被検物Ｔを反射して走査部２０に戻った戻り光が入射し、反射するようにしてあるので、被検物上の測定点の主走査方向と副走査方向の位置の誤差が非常に少ない距離計測ができ、また被検物Ｔの表面の微細な凹凸を計測するために光のビーム径を縮小しても計測誤差は非常に少なく、被検物Ｔの３次元形状を高精度で計測することが可能となる。
【００４７】
また、微小ミラー２１２の回転により位置が変動しない反射面２１４の面内にある回転軸２１５上の箇所、微小ミラー２４２の回転により位置が変動しない反射面の面内にある回転軸上の箇所に、プローブ光や戻り光が入射し、反射するようにした、極めて簡単で且つ容易に精度を出しやすい構成を採用していることから、反射面上のプローブ光や戻り光の入射・反射箇所のずれを信号処理により対処するようにした場合に比してコストがかからない。
【００４８】
本発明の計測装置は上記実施形態に示すものに限定されるものではない。
【００４９】
微小ミラー２１２，２４２（反射面２１４）を回転振動（揺動）可能に支持するために支持軸として円錐状のピボット２１１を使用した場合を示したが、これに限定されず、例えば三角柱状のピボットを使用し、三つの頂点のうち、何れかの頂点を反射面に当てるようにしてもよい。
【００５０】
何れにしても、微小ミラー２１２，２４２の反射面の面内に回転軸が位置するように微小ミラー２１２，２４２を回転振動（揺動）可能に支持する構造であればピボットに限定されるものではない。
【００５１】
また、微小ミラー２１２を駆動するのに基板２１０に駆動電極２１８を配置し、微小ミラー２４２を駆動するのに基板に駆動電極２４８を配置し、これら駆動電極２１８，２４８に交番電圧を印加して、クーロン力により微小ミラー２１２，２４２を回転振動させた場合を示したが、これに限定されない。例えば、微小ミラー２１２，２４２の裏面（反射面と反対側の面）に駆動コイルを配置し、微小ミラー２１２，２４２の外部に磁石を配置して、駆動コイルに電流を流すことにより発生するローレンツ力によって微小ミラー２１２，２４２を回転振動させてもよい。
【００５２】
また、プローブ光としてフェムト秒レーザー光を使用した場合を示したが、他のレーザー光を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の計測装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図２】図１に示すＸ軸偏向素子の、プローブ光が該Ｘ軸偏向素子に入射する方向からみた上面図である。
【図３】図２の３−３線に沿う断面図である。
【図４】図２の４−４線に沿う断面図である。
【図５】プローブ光が被検物上を走査する状態を説明する説明図である。
【図６】図１に示すＸ軸偏向素子とＹ軸偏向素子を駆動する駆動回路のブロック図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０            測定部
１１            レーザー光源
１２            ビームスプリッタ
１３，１４      フォトディテクタ
１５            位相計
２０            走査部
２１            Ｘ軸偏向素子
２２            Ｙ軸偏向素子
２３            駆動回路
３０            演算部
２１２          微小ミラー
２４２          微小ミラー
２１４          反射面
２１５          回転軸
【図１】
2008151640.tif 000003
【図２】
2008151640.tif 000004
【図３】
2008151640.tif 000005
【図４】
2008151640.tif 000006
【図５】
2008151640.tif 000007
【図６】
2008151640.tif 000008