(57)【要約】【課題】被検物の全面で均一な光量を得ることができる形状測定装置を提供する。【解決手段】光源からの光を被検物に照射する照明光学系と、光源から射出された光を被検物に集光させる対物レンズと、被検物の像を形成する結像レンズと、対物レンズの集光位置を光軸方向に相対移動させる集光位置変更手段とを備えている形状測定装置において、対物レンズの瞳４１Ｓの径及び照明光学系の瞳１２Ｓの径を対物レンズの瞳４１Ｓ上で結像レンズの瞳１７Ｓの径より大きくした。【選択図】        図２
2004156981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を被検物に照射する照明光学系と、
前記光源から射出された光を前記被検物に集光させる対物レンズと、
前記被検物の像を形成する結像レンズと、
前記対物レンズの集光位置を光軸方向に相対移動させる集光位置変更手段とを備え、
前記対物レンズの瞳径及び前記照明光学系の瞳径は前記対物レンズの瞳上で前記結像レンズの瞳径より大きいことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
光源からの光を被検物に照射する照明光学系と、
前記光源から射出された光を前記被検物に集光させる対物レンズと、
前記被検物の像を形成する結像レンズと、
前記対物レンズの集光位置を光軸方向に相対移動させる集光位置変更手段とを備え、
前記対物レンズの瞳径及び前記結像レンズの瞳径は前記対物レンズの瞳上で前記照明光学系の瞳径より大きいことを特徴とする形状測定装置。
【請求項３】
前記照明光学系の瞳径を変化させることができる第１の瞳径可変手段と、
前記結像レンズの瞳径を変化させることができる第２の瞳径可変手段と
を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は形状測定装置に関し、特に被検物の高さの測定に好適な形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
【特許文献】
特開２００２−１３９１７号公報
【０００４】
従来の形状測定装置としては、コンフォーカル光学系を用いて微小物体の三次元形状を測定するものが知られている。
【０００５】
この形状測定装置は、光源と、ニポウディスクと、対物レンズと、対物レンズの集光位置を光軸方向に相対移動させる集光位置変更機構と、結像レンズと、撮像素子とを備えている。集光位置変更機構は直角ミラーとコーナーキューブプリズムとコーナーキューブプリズムを駆動する駆動部とで構成されている。
【０００６】
光源から出射した照明光はコレクタレンズを通り、ハーフミラーで反射された後、ニポウディスクの上面に照射される。この照明光のうちピンホールを通過した照明光だけが集光位置変更機構に達し、対物レンズによって被検物の焦点面に集光される。
【０００７】
被検物からの反射光は対物レンズ、集光位置変更機構へと進み、対物レンズによってニポウディスクのピンホールに焦点が結ばれる。このとき、共焦点効果によって被検物の焦点面で反射された光だけがピンホールを通過する。
【０００８】
ピンホールを通過した光束はハーフミラーを通った後、結像レンズによって撮像素子の撮像面に結像される。
【０００９】
このとき、集光位置変更機構によってピンホールから被検物までの光路長を連続的に変え、それぞれの焦点位置で被検物の画像を取得する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この形状測定装置には被検物の傾いた部分（光軸に対して傾いている部分）を観察するときに次のような問題がある。
【００１１】
図５（ａ）は従来の形状測定装置の照明光と反射光との関係を説明する図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す対物レンズの瞳上における照明光と反射光との関係を説明する図である。
【００１２】
対物レンズ１４１を通った照明光は図５（ａ）に実線で示したように被検物１０５の傾いた部分に集光され、反射される。反射光は図５（ａ）に点線で示したように照明光に対して傾いて対物レンズ１４１へ戻っていく。
【００１３】
ここで、対物レンズ１４１の瞳上で照明光学系の瞳１１２Ｓ、対物レンズ１４１の瞳１４１Ｓの径が等しい場合を考える（図５（ｂ）参照）。
【００１４】
対物レンズ１４１の瞳１４１Ｓの直径φ１４１は、φ１４１＝２×ｆ×ＮＡで表される。ここで、ｆは対物レンズの焦点距離、ＮＡは対物レンズの開口数である。
【００１５】
また、照明光学系の瞳１１２Ｓの直径φ１１２は、φ１１２＝β×φ１３  で表される。ここで、βは照明系の絞りから対物瞳までの倍率であり、φ１３  は照明系の絞りの直径である。
【００１６】
被検物１０５に傾きがあるとき、反射光１０５Ｓは図５（ｂ）に示すように対物レンズ１４１の瞳１４１Ｓ及び照明光学系の瞳１１２Ｓからシフトし、斜線で示した結像に寄与しない成分Ａが生じる。ここで、シフト量ｈは、ｈ＝ｆ×ｓｉｎθで表される。θは図５（ａ）に示す主光線の反射角度である。
【００１７】
そのため、結像に寄与する成分が小さくなり、被検物１０５の傾いた部分の光量が小さくなって場合によっては検出できなくなり、高さ方向の情報の欠落により撮像面で得られる像に欠けが発生することがある。
【００１８】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は被検物の全面で均一な光量を得ることができる形状測定装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため請求項１記載の発明は、光源からの光を被検物に照射する照明光学系と、前記光源から射出された光を前記被検物に集光させる対物レンズと、前記被検物の像を形成する結像レンズと、前記対物レンズの集光位置を光軸方向に相対移動させる集光位置変更手段とを備え、前記対物レンズの瞳径及び前記照明光学系の瞳径は前記対物レンズの瞳上で前記結像レンズの瞳径より大きいことを特徴とする。
【００２０】
請求項２記載の発明は、光源からの光を被検物に照射する照明光学系と、前記光源から射出された光を前記被検物に集光させる対物レンズと、前記被検物の像を形成する結像レンズと、前記対物レンズの集光位置を光軸方向に相対移動させる集光位置変更手段とを備え、前記対物レンズの瞳径及び前記結像レンズの瞳径は前記対物レンズの瞳上で前記照明光学系の瞳径より大きいことを特徴とする。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の形状測定装置において、前記照明光学系の瞳径を変化させることができる第１の瞳径可変手段と、前記結像レンズの瞳径を変化させることができる第２の瞳径可変手段とを備えていることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１はこの発明の第１実施形態に係る形状測定装置の全体構成を示す図である。
【００２４】
この形状測定装置１は、光源１１と、コレクタレンズ１２と、絞り１３と、ハーフミラー１４と、第１リレーレンズ１５ａと、ニポウディスク２０と、直角ミラー３１と、コーナキューブレフレクタ３２と、コーナーキューブ駆動装置３３と、対物レンズ４１と、絞り１６と、第２リレーレンズ１５ｂと、アパーチャ１８と、ディテクタ５０とを備えている。第１リレーレンズ１５ａと第２リレーレンズ１５ｂとから結像光学系を構成する結像レンズ１７が構成される。
【００２５】
光源１１は照明光を出射する。光源１１としては、例えばレーザ、Ｘｅランプ、Ｈｅランプ、Ｎｅランプ、Ａｒランプ等のアークランプを使用することができる。
【００２６】
コレクタレンズ１２は照明光学系９を構成し、光源１１から出射された光を平行光とする。
【００２７】
絞り１３は対物レンズ４１の瞳と共役な位置に配置され、照明光学系９の瞳径を変化させる。
【００２８】
ハーフミラー１４は照明光を反射させるが被検物５からの反射光を透過させる。
【００２９】
ニポウディスク２０にはハーフミラー１４で反射され、第１リレーレンズ１５ａを透過した光を通過させる同じ径の複数のピンホール２１が所定の間隔で螺旋状に形成されている。ニポウディスク２０はモータ２５によって駆動される。
【００３０】
直角ミラー３１はピンホール２１を通過した照明光及び被検物５からの反射光の方向を変える。
【００３１】
コーナキューブレフレクタ３２は３つの互いに直角の面と直角三角形の斜辺の面を持ったプリズムである。傾斜面に入射した光は３つの面で反射され、反転して入射光に対して平行に傾斜面から出射される。
【００３２】
このコーナキューブレフレクタ３２をコーナーキューブ駆動装置３３によって矢印に示すように移動させることによって被検物５を光軸方向へスキャンすることができるため、被検物５に向かって照明光を選択的に集光させることができる。
【００３３】
直角ミラー３１、コーナキューブレフレクタ３２及びコーナーキューブ駆動装置３３で集光位置変更手段が構成される。
【００３４】
対物レンズ４１はテレセントリックなレンズであり、対物レンズ４１を通過して被検物５に照射される光の主光線は光軸に平行となる。
【００３５】
絞り１６は対物レンズ４１の瞳と共役な位置に配置され、結像レンズ１７の瞳径を変化させる。
【００３６】
アパーチャ１８に形成されたピンホール１８ａは散乱光等の進入を制限する。
【００３７】
アパーチャ１８を備えるディテクタ５０はニポウディスク２０のピンホール２１が結像する位置に配置され、ディテクタ５０にはピンホール２１を透過する光の強度に応じた画像が形成される。
【００３８】
次に、上記構成の形状測定装置の動作を説明する。
【００３９】
光源１１から出射された照明光は、コレクタレンズ１２によって平行光とされ、絞り１３、ハーフミラー１４、第１リレーレンズ１５ａを経て、ニポウディスク２０の上面に照射される。
【００４０】
照射範囲に含まれる複数のピンホール２１を通過した光束はそれぞれ直角ミラー３１の上側の反射面３１ａで反射されてコーナキューブレフレクタ３２に入射し、コーナキューブレフレクタ３２で複数回反射された後、入射光と平行な照明光として直角ミラー３１に戻され、直角ミラー３１の下側の反射面３１ｂで反射されて対物レンズ４１に入射し、対物レンズ４１で被検物５上に集光される。
【００４１】
なお、ニポウディスク２０の複数のピンホール２１をそれぞれ通過した光束はいずれも直角ミラー３１及びコーナキューブレフレクタ３２で反射され、対物レンズ４１で被検物５上の異なる位置にそれぞれ集光される。
【００４２】
したがって、被検物５上には光源１１からの複数の光束によって複数の光スポットが形成される。
【００４３】
被検物５の複数の光スポットからの反射光束はそれぞれ対物レンズ４１、直角ミラー３１の下側の反射面３１ｂ、コーナキューブレフレクタ３２、直角ミラー３１の上側の反射面３１ａの順に照明光とは逆方向へ進み、ピンホール２１に焦点が結ばれる。
【００４４】
このとき、共焦点効果によって光スポットで反射された光だけがピンホール２１を通過し、散乱光等はピンホール２１に焦点が合わないため、除去される。
【００４５】
ピンホール２１を通過した反射光束は結像レンズ１７に入射する。結像レンズ１７に入射した反射光束はそれぞれ第１リレーレンズ１５ａと第２リレーレンズ１５ｂと絞り１６とによりディテクタ５０上に集光され、ディテクタ５０上に２次元像が形成される。
【００４６】
このとき、コーナーキューブ駆動装置３３を駆動して得られる焦点位置の異なる複数の画像が図示しない画像処理装置に入力され、入力された画像データから被検物５の立体形状が画像処理装置によって演算される。
【００４７】
図２はこの発明の第１実施形態に係る形状測定装置の対物レンズの瞳上における対物レンズの瞳径と照明光学系の瞳径と結像レンズの瞳径との関係を示す図であり、図２（ａ）は被検物の平坦な部分を見た場合であり、図２（ｂ）は被検物の傾いた部分を見た場合である。
【００４８】
照明光学系９の瞳１２Ｓの径は絞り１３（図１参照）によって対物レンズ４１の瞳４１Ｓの径と一致するように絞られている。
【００４９】
また、結像レンズ１７の瞳１７Ｓの径は絞り１６（図１参照）によって対物レンズ４１の瞳４１Ｓの径及び照明光学系の瞳１２Ｓの径より小さくなるように絞られている。
【００５０】
被検物５（図１参照）の平坦な部分を見た場合、反射光５Ｓは照明光に対して傾くことなく対物レンズ４１に戻るため、反射光５Ｓは対物レンズ４１の瞳４１Ｓ及び照明光学系９の瞳１２Ｓからシフトしない（図２（ａ）参照）。
【００５１】
被検物５の傾いた部分を見た場合、反射光５Ｓは照明光に対して傾いて対物レンズ４１に戻るため、反射光５Ｓは対物レンズ４１の瞳４１Ｓ及び照明光学系９の瞳１２Ｓからシフトする（図２（ｂ）参照）。
【００５２】
このとき、結像レンズ１７の瞳１７Ｓの全域が反射光５Ｓによってカバーされ、ディテクタ５０上に結像される。
【００５３】
ここで、被検物からの反射光の対物レンズの光軸から最も離れた最外光線と対物レンズの光軸との角度をθとし、対物レンズの瞳径が２ｈ＝ｆｓｉｎθｍａｘ  で表されるとき、被検物からの反射角度θがθｍａｘ  以下である反射光は全て光量損失なく検出することができる。
【００５４】
この第１実施形態によれば、被検物５に傾きがある場合であっても従来例のように結像に寄与しない成分が生じないので、被検物５の広い範囲で均一な光量を得ることができる。その結果、被検物５の傾いた部分の光量が小さくなって高さ方向の情報の欠落によりディテクタ５０の撮像面で得られる像に欠けが発生することを防止できる。
【００５５】
図３はこの発明の第２実施形態に係る形状測定装置の対物レンズの瞳上における対物レンズの瞳径と照明光学系の瞳径と結像レンズの瞳径との関係を示す図であり、図３（ａ）は被検物の平坦な部分を見た場合であり、図３（ｂ）は被検物の傾いた部分を見た場合である。
【００５６】
結像レンズ１７の瞳５７Ｓの径は絞り１６（図１参照）によって対物レンズ４１の瞳８１Ｓの径と一致するように絞られている。
【００５７】
また、照明光学系の瞳５２Ｓの径は絞り１３（図１参照）によって対物レンズ４１の瞳８１Ｓ及び結像レンズ１７の瞳５７Ｓの径より小さくなるように絞られている。
【００５８】
被検物５の平坦な部分を見た場合、反射光４５Ｓは照明光に対して傾くことなく対物レンズ４１に戻るため、反射光４５Ｓは照明光学系の瞳５２Ｓからシフトしない（図３（ａ）参照）。
【００５９】
被検物５の傾いた部分を見た場合、反射光４５Ｓは照明光に対して傾いて対物レンズ４１に戻るため、反射光４５Ｓは照明光学系の瞳５２Ｓからシフトする（図３（ｂ）参照）。
【００６０】
このとき、反射光４５Ｓの全域は結像レンズ１７の瞳５７Ｓ及び対物レンズ４１の瞳８１Ｓによってカバーされ、ディテクタ５０上に結像される。
【００６１】
この第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００６２】
図４はこの発明の他の実施形態に係る形状測定装置の全体構成を示す図であり、前述の実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００６３】
この形状測定装置１０は、絞り１３を駆動して照明光学系９の瞳径を変化させる第１の駆動装置（第１の瞳径可変手段）１３Ｄと、絞り１６を駆動して結像レンズ１７の瞳径を変化させる第２の駆動装置（第２の瞳径可変手段）１６Ｄと、第１の駆動装置１３Ｄ及び第２の駆動装置１６Ｄの駆動を制御するコントローラ６０とを備えている点で前述の形状測定装置１と相違する。
【００６４】
ところで、被検物５の空間周波数の高い成分が多い限界解像に近いときには、σ＞１（インコヒーレント）で画像のコントラストが高くなり、被検物の空間周波数の低い成分が多いときには、σ＜１（部分的コヒーレント）で画像のコントラストが高くなることが知られている。
【００６５】
ここで、σ＝（照明光学系の瞳径）／（結像光学系の瞳径）である。
【００６６】
したがって、第１実施形態の構成はσ＞１（インコヒーレント）であり、第２実施形態の構成はσ＜１（部分的コヒーレント）である。
【００６７】
コントローラ１０は、被検物５の空間周波数の高い成分が多いと判断した場合、第１の駆動装置１３Ｄ及び第２の駆動装置１６Ｄへ制御信号を出力し、図２に示す関係（照明光学系の瞳径＞結像光学系の瞳径）が構築されるように第１の駆動装置１３Ｄ及び第２の駆動装置１６Ｄを駆動する。
【００６８】
また、コントローラ１０は、被検物５の空間周波数の低い成分が多いと判断した場合、第１の駆動装置１３Ｄ及び第２の駆動装置１６Ｄへ制御信号を出力し、図３に示す関係（照明光学系の瞳径＜結像光学系の瞳径）が構築されるように第１の駆動装置１３Ｄ及び第２の駆動装置１６Ｄを駆動する。
【００６９】
なお、上記判断は例えば被検物５の面形状の周波数解析に基いて行われる。
【００７０】
【発明の効果】
以上に説明したようにこの発明の形状測定装置によれば、被検物の全面で均一な光量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態に係る形状測定装置の全体構成を示す図である。
【図２】図２はこの発明の第１実施形態に係る形状測定装置の対物レンズの瞳上における対物レンズの瞳径と照明光学系の瞳径と結像レンズの瞳径との関係を示す図である。
【図３】図３はこの発明の第２実施形態に係る形状測定装置の対物レンズの瞳上における対物レンズの瞳径と照明光学系の瞳径と結像レンズの瞳径との関係を示す図である。
【図４】図４はこの発明の他の実施形態に係る形状測定装置の全体構成を示す図である。
【図５】図５（ａ）は従来の形状測定装置の照明光と反射光との関係を説明する図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す対物レンズの瞳上における照明光と反射光との関係を説明する図である。
【符号の説明】
５  被検物
１１  光源
１２  コレクタレンズ
１３Ｄ  第１の駆動装置（第１の瞳径可変手段）
１５  第１リレーレンズ
１６Ｄ  第２の駆動装置（第２の瞳径可変手段）
１７  結像レンズ
３１  直角ミラー
３２  コーナキューブレフレクタ
３３  コーナーキューブ駆動装置
４１  対物レンズ
【図１】
2004156981.tif 000003
【図２】
2004156981.tif 000004
【図３】
2004156981.tif 000005
【図４】
2004156981.tif 000006
【図５】
2004156981.tif 000007