(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心波長を中心とした一定の波長幅を有する入射光を出力しその中心波長が所定の可変波長範囲内において可変とされた波長可変光源と、
測定対象物に向かう物体光と参照面に向かう参照光とに前記入射光を分離すると共に前記測定対象物及び前記参照面でそれぞれ反射した前記物体光及び前記参照光を合成して合成光とするビームスプリッタと、
前記合成光による干渉縞画像を撮像する撮像部と、
前記物体光の光路又は前記参照光の光路のいずれか一方に挿入され前記中心波長が前記可変波長範囲内において変化した場合において前記物体光の光路又は前記参照光の光路の光路長に所定の測定レンジ以上の変化を与える光路長変更光学部材と、
前記合成光を前記撮像部に導くようにされ前記中心波長の変化に拘わらず前記合成光の合焦位置が不変となるようにされた結像光学系と、
前記波長可変光源を制御して前記中心波長を変化させる波長制御手段と、
前記撮像部上の特定の受光位置における前記合成光の光強度が最大となったときにおける前記中心波長に基づき前記特定の受光位置に対応する前記測定対象物上の部位の高さを計測する計測部と
を備えたことを特徴とする表面性状測定装置。
【請求項２】
前記結像光学系は、両側テレセントリック光学系である請求項１記載の表面性状測定装置。
【請求項３】
前記光路長変更光学部材は、平行平面板である請求項１記載の表面性状測定装置。
【請求項４】
前記波長可変光源は、中心波長をピークとして所定のスペクトル広がりを有する光を射出するものである請求項１記載の表面性状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の表面性状を測定する表面性状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物上に光源からの光を投影して測定光を得る一方、参照ミラーからの参照光を測定光と干渉させるとともに、被測定物を相対的に移動させ、干渉光の光強度の変化を画素毎に求めることにより、被測定物の表面性状を計測するようにした形状測定装置が、例えば特許文献１により知られている。このような装置では、被測定物を相対移動させるための駆動機構と、この駆動量を測定するための機構（エンコーダ等）が必須となり、システムの複雑化が避けられないという問題があった。
【特許文献１】特開２００１ー６６１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、機械的な駆動機構による被測定物の相対移動を必要とせず、これによりシステムを簡略化すると共に機械的な走査精度やスケール精度の影響を受けることが無い表面性状測定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】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明に係る表面性状測定装置は、中心波長を中心とした一定の波長幅を有する入射光を出力しその中心波長が所定の可変波長範囲内において可変とされた波長可変光源と、測定対象物に向かう物体光と参照面に向かう参照光とに前記入射光を分離すると共に前記測定対象物及び前記参照面でそれぞれ反射した前記物体光及び前記参照光を合成して合成光とするビームスプリッタと、前記合成光を受光する撮像部と、前記物体光の光路又は前記参照光の光路のいずれか一方に挿入され前記中心波長が前記可変波長範囲内において変化した場合において前記物体光の光路又は前記参照光の光路の光路長に所定の測定レンジ以上の変化を与える光路長変更光学部材と、前記合成光を前記撮像部に導くようにされ前記中心波長の変化に拘わらず前記合成光の合焦位置が不変となるようにされた結像光学系と、前記波長可変光源を制御して前記中心波長を変化させる波長制御手段と、前記撮像部上の特定の受光位置における前記合成光の光強度が最大となったときにおける前記中心波長に基づき前記特定の受光位置に対応する前記測定対象物上の部位の高さを計測する計測部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
この発明によれば、機械的な駆動機構による被測定物の相対移動を必要とせず、これによりシステムを簡略化すると共に機械的な走査精度やスケール精度の影響を受けることが無い表面性状測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【０００７】
この実施の形態の表面性状測定装置１は、図１に示すように、波長可変光源１１と、コリメータレンズ１２と、ビームスプリッタ１３と、平行平面板１４と、参照ミラーＲＰと、結像光学系１５と、ＣＣＤ撮像素子１６と、コンピュータ２０と、波長制御部２１とを備え、測定対象物Ｗの表面性状の干渉縞計測により測定するトワイマングリーン干渉計を構成している。
【０００８】
波長可変光源１１は、図２に示すように、中心波長λｃをピークとして一定の波長幅Δλのスペクトル分布を有する光を発する低コヒーレンス光源である。従って、この表面性状測定装置では、参照光路と物体光路との間の光路差を、一定距離ｌｃ＝λｃ２／Δλ以下とした場合にＣＣＤ撮像素子１６により干渉縞が観察される。この波長可変光源１１は、波長制御部２１からの制御信号を受けて、中心波長λｃを、λｍｉｎ〜λｍａｘの範囲で変化させることができるように構成されている。なお、コンピュータ２０は、ＣＣＤ撮像素子１６で得られた干渉縞信号を解析して測定対象物Ｗの形状を測定する他、波長制御部２１などの制御を担当するものである。
【０００９】
コリメータレンズ１２は、この波長可変光源１１からの光を平行光束に変換するものである。ビームスプリッタ１３は、この平行光束を参照ミラーＲＰに向かう参照光と、測定対象物Ｗに向かう物体光とに分割すると共に、参照ミラーＲＰ及び測定対象物Ｗで反射した参照光及び物体光を合成する機能を有する。ビームスプリッタ１３は、図１のようなハーフミラーでも、また、プリズム型のものでも構わない。平行平面板１４は、例えばＦ２ガラスなど高分散材料から形成されており、その屈折率ｎが通過する光の波長により大きく異なる。中心波長λｃがλｍｉｎ〜λｍａｘの範囲で変化した場合、参照光の光路長を、表面性状測定装置１の測定レンジ以上に変化させるものである。図３は、中心波長λｃの変化に対し、測定対象物Ｗ上のある一点からの光（測定光）と参照光とによる合成光の光強度の変化の様子の一例を示したものである。中心波長λｃが変化し、参照光路と物体光路の光路長差が零となるような波長となった場合、干渉光の光強度が最大となるので、これにより、測定対象物Ｗ上のある一点の高さｈを判定することができる。干渉縞は、この光路長差が零の位置から±ｌｃ＝λｃ２／Δλの範囲で観察することができる。
【００１０】
結像光学系１５は、中心波長λｃの変化によって結像位置に変化が生じないよう、色収差を除去された光学系が採用される。好適な例として、測定対象物Ｗの位置によってＣＣＤ撮像素子１６上での干渉縞の結像状態、及び大きさが変わらないよう、図４に示すような両側テレセントリック光学系を採用することができる。
【００１１】
この両側テレセントリック光学系は、第１結像レンズ１５１と、絞り１５２と、第２結像レンズ１５３とを備えている。絞り１５２は、第１結像レンズ１５１の像側焦点位置と一致し、かつ第２結像レンズ１５３の物側焦点位置と一致するように配置され、これにより両側テレセントリック光学系が形成される。さらに、第１結像レンズ１５１及び第２結像レンズ１５３は、絞り１５２に関し相似であり、また、第１結像レンズ１５１、第２結像レンズ１５３は、それぞれ前側焦点、後側焦点に対して色消しがされた構造となっている。従って、測定対象物Ｗ側から第１結像レンズ１５１に対し光軸Ａに平行に入射した光は、絞り１５２の開孔を通って第２結像レンズ１５３に入射し、光軸Ａに平行な光として第２結像レンズ１５３から射出されてＣＣＤ撮像素子１６の撮像面に至る。
【００１２】
中心波長λｃの大きさが、例えばλ１，λ２のように変化すると、第１結像レンズ１５１の物側焦点も図４に示すＦλ１、Ｆλ２のように位置が変化し（測定対象物Ｗの基準位置からの距離がＸλ１，Ｘλ２）、第２結像レンズ１５３の像側焦点もＦ”λ１、Ｆ”λ２のように変化する（ＣＣＤ撮像素子１６の撮像面からの距離がＸ”λ１，Ｘ”λ２）。第１結像レンズ１５１の主点の位置も変化し（絞り１５２からの距離ｆ１λ１、ｆ２λ２）、また第２結像レンズ１５３の主点の位置も変化する（絞り１５２からの距離ｆ２λ１、ｆ２λ２）。しかし、両側テレセントリック光学系が構成されるため、このような波長λｃの変化による焦点位置の移動や測定対象物１６の位置（高さ）に拘わらず、ＣＣＤ撮像素子１６には略同じ大きさの干渉縞画像が観察され得る。
【００１３】
次に、このように構成された表面性状測定装置の作用を、図５を参照して説明する。波長可変光源から射出される光の中心波長λｃが、λｍｉｎ〜λｍａｘの範囲で徐々に大きくなるとき、参照光路の光路長は、平行平面板１４の作用により徐々に短くなり、λｍａｘとなると、光路長は、λｍｉｎの場合に比べ、２×ｔ×（ｎｍｉｎ−ｎｍａｘ）だけ短くなる。ただし、ｔは平行平面板１４の厚さ、ｎｍａｘ、ｎｍｉｎはそれぞれ中心波長λがλｍａｘ、λｍｉｎの場合の平行平面板１４の屈折率を示す。
【００１４】
測定対象物Ｗ上の高さｈの異なる点Ａ（高さｈＡ）、点Ｂ（高さｈＢ＜ｈＡ）では、図６及び図７に示すように、それぞれ異なる波長λＡ、λＢ（λＢ＜λＡ）となった場合に、参照光の光路長が物体光の光路長と一致して、干渉信号の大きさが最大となる。干渉信号が最大値となった場合の中心波長λｃの大きさを特定することにより、測定対象物Ｗ上の各点の高さを演算することができる。これにより、測定対象物Ｗの表面性状を測定することができる。
【００１５】
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記実施の形態では、平行平面板１４が参照光の光路に挿入されている例を説明したが、物体光の光路の方に挿入するようにしてもよい。また、参照光の光路、物体光の光路の両方に平行平面板を挿入し、その厚さ又は材質を異なるものとするのでもよく、要するに波長可変光源１１の出射光の中心波長λｃが変化した場合に参照光路と物体光路との間の光路長差を所定の測定レンジ以上に変化させることが可能なものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態の表面性状測定装置１の全体構成を示す。
【図２】波長可変光源１１から出射される光のスペクトル分布の一例を示す。
【図３】波長可変光源１１の出射光の中心波長λｃを変化させた場合において、測定対象物Ｗ上のある一点からの光（測定光）と参照光とによる合成光の光強度の変化の様子の一例を示したものである。
【図４】結像光学系１５の具体的構成を示す。
【図５】本実施の形態の表面性状測定装置１の作用を示す。
【図６】本実施の形態の表面性状測定装置１の作用を示す。
【図７】本実施の形態の表面性状測定装置１の作用を示す。
【符号の説明】
【００１７】
１１・・・波長可変光源、  １２・・・コリメータレンズ、  １３・・・ビームスプリッタ、  １４・・・平行平面板、  ＲＰ・・・参照ミラー、  １５・・・結像光学系、  １６・・・ＣＣＤ撮像素子、  ２０・・・コンピュータ、  ２１・・・波長制御部２１、  １５１、１５３・・・結像レンズ、  １５２・・・絞り。
【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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