(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を偏向させ、試料上を走査させる偏向手段と、
前記光源からの光を前記試料上に集光させる対物レンズと、
前記試料からの戻り光に基づいて、前記光源から出力された光が前記試料上で合焦状態であるか否かを表すフォーカスエラー信号を検出する検出部と、
前記フォーカスエラー信号に基づいて前記対物レンズのデフォーカス量を算出し、算出したデフォーカス量より前記試料の３次元形状を算出する演算部と、
を備え、
前記検出部は、複数のフォーカスエラー信号を検出し、
前記演算部は、前記検出された複数のフォーカスエラー信号からデフォーカス量を算出することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項２】
前記フォーカスエラー信号の値と前記対物レンズのデフォーカス量とを対応付けて記憶する記憶部と、
前記３次元形状測定装置の各部の制御を行う制御部と、
を更に備え、
前記制御部は、前記演算部において前記記憶部を参照しても前記フォーカスエラー信号の値より対物レンズのデフォーカス量を一意に決定できない場合は、前記対物レンズを駆動して所定の距離だけ移動させ、前記対物レンズの移動後に、前記検出部にフォーカスエラー信号を検出させ、
前記演算部は、前記対物レンズの移動の前後のフォーカスエラー信号を用いて、前記対物レンズのデフォーカス量を一意に決定する
ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記記憶部を参照して、前記対物レンズの移動の前後のフォーカスエラー信号の変化に対応するデフォーカス量の変化を求めることにより、前記対物レンズのデフォーカス量を一意に決定する
ことを特徴とする請求項２記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記検出部は、第１のフォーカスエラー信号を検出する第１の検出部と、前記第１の検出部に対して前記戻り光の光路長が異なり、前記第１のフォーカスエラー信号と異なる第２のフォーカスエラー信号を検出する第２の検出部と、
を有し、
前記演算部は、前記第１及び第２のフォーカスエラー信号を比較することにより、デフォーカス量を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。
【請求項５】
前記検出部は、非点収差法、臨界角法またはナイフエッジ法に基づきフォーカスエラー信号を検出する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
前記対物レンズを用いた顕微鏡観察光学系を更に具備している
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の３次元形状測定装置。
【請求項７】
上記検出部とは異なる方式により前記試料の３次元形状の測定を行うための第２の光学系を更に有する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の３次元形状測定装置。
【請求項８】
光源と、
前記光源からの光を偏向させ、試料上を走査させる偏向手段と、
前記光源からの光を前記試料上に集光させる対物レンズと、
前記試料からの戻り光に基づいて、前記光源から出力された光が前記試料上で合焦状態であるか否かを表すフォーカスエラー信号を検出する検出部と、
前記フォーカスエラー信号に基づいて前記対物レンズのデフォーカス量を算出し、算出したデフォーカス量より前記試料の３次元形状を算出する演算部と、
を備え、
上記検出部とは異なる方式により前記試料の３次元形状の測定を行うための第２の光学系を更に有し、
前記第２の光学系は、共焦点光学系からなり、前記偏向手段及び前記対物レンズを共有している
ことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項９】
前記演算部が求めた前記試料の３次元形状を、前記顕微鏡観察光学系により得られる観察画像と共に表示手段に表示させる
ことを特徴とする請求項６記載の３次元形状測定装置。
【請求項１０】
前記検出部及び前記第２の光学系のいずれか一方を光路上に挿入し、他方を抜去するよう切り替え可能に構成されている
ことを特徴とする請求項７又は８記載の３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の３次元形状を測定し、得られた３次元形状画像を表示する３次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、観察対象の３次元画像を得てこれを表示するために、ＬＳＭ（Laser Scanning Microscope）、フォーカスバリエーション（焦点移動法）、白色干渉計等の技術が用いられてきている。
【０００３】
例えば、ＬＳＭに関しては、光源からの光をスポット状にして試料面を２次元走査し、試料面からの反射光のうち、共焦点ピンホールを通過した光のみを検出して、これを電気信号に変換して試料面の合焦情報を得る。そして、試料面をＺ方向に移動させていくことで、試料の３次元表面形状を得る方法について開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
また、フォーカスバリエーションに関しては、顕微鏡のように焦点深度の浅い光学系を有する装置において、標本の高さ方向において所定間隔で撮像される画像より３次元画像を構築する方法について開示されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１４０１８３号公報
【特許文献２】特開２０１３−２０１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のＬＳＭ、フォーカスバリエーション、白色干渉計等を用いて３次元形状の測定を行う方法によれば、Ｚ方向（試料の高さ方向）の位置を順次変えて、各位置で画像を撮像していく必要がある。このため従来の方法では、３次元形状の測定に時間を要している。
【０００７】
本発明は、試料の３次元形状の測定を高速で行うことを可能とする技術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】
【０００８】
本発明の一態様に係る３次元形状測定装置によれば、光源と、前記光源からの光を偏向させ、試料上を走査させる偏向手段と、前記光源からの光を前記試料上に集光させる対物レンズと、前記試料からの戻り光に基づいて、前記光源から出力された光が前記試料上で合焦状態であるか否かを表すフォーカスエラー信号を検出する検出部と、前記フォーカスエラー信号に基づいて前記対物レンズのデフォーカス量を算出し、算出したデフォーカス量より前記試料の３次元形状を算出する演算部と、を備え、前記検出部は、複数のフォーカスエラー信号を検出し、前記演算部は、前記検出された複数のフォーカスエラー信号からデフォーカス量を算出することを特徴とする。
本発明の別の態様に係る３次元形状測定装置によれば、光源と、前記光源からの光を偏向させ、試料上を走査させる偏向手段と、前記光源からの光を前記試料上に集光させる対物レンズと、前記試料からの戻り光に基づいて、前記光源から出力された光が前記試料上で合焦状態であるか否かを表すフォーカスエラー信号を検出する検出部と、前記フォーカスエラー信号に基づいて前記対物レンズのデフォーカス量を算出し、算出したデフォーカス量より前記試料の３次元形状を算出する演算部と、を備え、上記検出部とは異なる方式により前記試料の３次元形状の測定を行うための第２の光学系を更に有し、前記第２の光学系は、共焦点光学系からなり、前記偏向手段及び前記対物レンズを共有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、試料の３次元形状の測定を高速で行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る３次元形状測定装置の構成例を示す図である。
【図２】非点収差法により検出されるフォーカスエラー信号について説明する図である。
【図３】ＦＥ信号値と対物レンズ５のデフォーカス量との関係を示す図である。
【図４】ＦＥ信号値に対応するデフォーカス量が２つ存在する場合におけるデフォーカス量の算出方法について説明する図である。
【図５】第２の実施形態に係る３次元形状測定装置の構成例を示す図である。
【図６】第１及び第２のフォーカスエラー検出部のそれぞれにおいて検出されるフォーカスエラー信号値とデフォーカス量との関係について説明するための図である。
【図７】第３の実施形態に係る３次元形状測定装置本体の構成例を示す図である。
【図８】第３の実施形態に係る３次元形状測定装置において取得してモニタに表示される画面を例示する図である。
【図９Ａ】第３の実施形態の変形例に係る３次元形状測定装置本体による光路に挿入する光学系の切り替えについて説明する図（その１）である。
【図９Ｂ】第３の実施形態の変形例に係る３次元形状測定装置本体による光路に挿入する光学系の切り替えについて説明する図（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態に係る３次元形状測定装置の構成例を示す図である。図１の３次元形状測定装置は、３次元形状測定装置本体（以下、本体と略記）１と、そのコントローラ２０とを有し、試料１０の３次元形状を計測する。
【００１２】
本体１は、光源であるＬＤ（レーザーダイオード）２、コリメートレンズ３、スキャナ４、対物レンズ５、λ／４波長板６、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ、Polarizing Beam Splitter）７及びフォーカスエラー検出部８を有する。本体１は、光源からのレーザー光の試料１０での戻り光からフォーカスエラー信号を検出し、検出した信号をコントローラ２０に出力する。
【００１３】
コントローラ２０は、演算部２１、制御部２２及び記憶部２３を有し、本体１から入力されたフォーカスエラー信号を用いて、試料１０の３次元形状を測定し、測定により得られた画像を図１においては不図示のモニタ等の表示手段に表示させる。
【００１４】
コントローラ２０については、本体１各部の制御等の各種の処理を実行するが、図１においては、本実施形態に係る３次元形状の測定処理にかかわる構成のみを記載している。
【００１５】
図１の３次元形状測定装置の動作は、以下のとおりである。
光源であるＬＤ２は、レーザー光を出力し、コリメートレンズ３は、ＬＤ２から出力されたレーザー光を平行状態にする。
【００１６】
スキャナ４は、２枚のガルバノミラー等で構成される２次元スキャナで、ＬＤ２から出力される光の偏向手段として動作する。スキャナ４がＬＤ２から出力されたレーザー光の反射角度を制御することで、対物レンズ５に入射したレーザー光は、Ｘ及びＹのそれぞれの方向について、試料１０上を走査されることとなる。
【００１７】
対物レンズ５にて試料１０上に集光された光は、試料１０の表面で反射し、試料１０からの戻り光は、λ／４波長板６及びＰＢＳ７を介してフォーカスエラー検出部８に入射する。
フォーカスエラー検出部８は、結像レンズ１１、シリンドリカルレンズ１２及びＰＤ（光検出器、Photo Detector）１３を有し、試料１０からの戻り光に基づき、ＬＤ２から出力されたレーザー光の試料１０上での合焦状態（焦点ずれの方向とその量）を表すフォーカスエラー信号を検出する。
【００１８】
なお、フォーカスエラー検出部８の構成及びレーザー光の照射面での合焦状態を表すフォーカスエラー信号を検出する動作については、例えば光ディスクドライブ等においても利用されており、公知の技術を用いている。
【００１９】
以下に説明する実施例では、非点収差法を用いてフォーカスエラー信号を検出する場合について説明する。フォーカスエラー検出部８は、試料１０からの戻り光を結像レンズ１１にて結像させ、シリンドリカルレンズ１２にて非点収差を発生させ、これをＰＤ１３にて検出する。ＰＤ１３は、４分割ＰＤで構成されている。
【００２０】
シリンドリカルレンズ１２を用いることで、縦方向及び横方向の焦点位置がずれて結像位置が異なるようになる。ＰＤ１３上に結像する光の形状は、対物レンズ５と試料１０との間の合焦状態により、縦長から横長に変化する。但し、非点収差を発生させる光学素子であれば、シリンドリカルレンズ以外の光学素子でもよい。
【００２１】
図２は、非点収差法により検出されるフォーカスエラー信号について説明する図である。
図２に示すように、４分割ＰＤの領域ごとの出力をＡ〜Ｄとする。このとき、フォーカスエラー信号（ＦＥ信号）の値ＦＥは、以下の式で定義される。
【数１】
0006363477.tif 000002
【００２２】
非点収差法によりフォーカスエラーを検出する方法については、公知の技術であるので、詳細な説明はここでは省略するが、ＬＤ２から出力されたレーザー光が試料１０上で合焦状態であるときは、４つの領域に入射する光量が等しくなる。実施例では、このときフォーカスエラー検出部８が検出するＦＥ信号の値は、「０」となるように設計されている。但し、合焦状態時のＦＥ信号値は、これに限定されるものではなく、例えば合焦状態時にＦＥ信号値が最大または最小となるように設計してもよい。
【００２３】
図３は、ＦＥ信号値と対物レンズ５のデフォーカス量との関係を示す図である。
ＦＥ信号値と対物レンズ５のデフォーカス量とが図３の関係を示すことから、図１のコントローラ２０の演算部２１は、本体１のフォーカスエラー検出部８から入力されたＦＥ信号値に対応する対物レンズ５のデフォーカス量を求める。演算部２１は、求めたデフォーカス量に基づき、試料１０の３次元形状を算出することができる。
【００２４】
コントローラ２０の記憶部２３は、図３のＦＥ信号値とデフォーカス量との関係を表すデータを記憶しておく。図３に示すように、ＦＥ信号値とでデフォーカス量との関係は線形でない。このため、例えば補正テーブル等を作成して記憶部２３に記憶させておき、これを参照することで、演算部２１において正確にデフォーカス量を求めることが可能となる。
【００２５】
ここで、図３のグラフ上では、例えばＦＥ信号値「Ｆ１」に対応するデフォーカス量は、２つ存在する。このように、フォーカスエラー検出部８から入力されたＦＥ信号値に対応するデフォーカス量の候補が複数存在する場合には、演算部２１は、入力されたＦＥ信号値のみからは対応するデフォーカス量を一意に決定することができない。このような場合には、コントローラ２０は、対物レンズ５の高さを所定の距離だけ移動させ、ＦＥ信号値がどのように変化するかに基づき、適切にデフォーカス量を算出する。
【００２６】
図４は、ＦＥ信号値に対応するデフォーカス量が２つ存在する場合におけるデフォーカス量の算出方法について説明する図である。
あるＦＥ信号値に対応するデフォーカス量が複数存在する場合には、対物レンズ５を距離「ｄ」だけ高さ方向に移動させるとする。
【００２７】
このとき、例えばデフォーカス量が「Ｄ１」の点Ｂについては、対物レンズ５の移動後は、ＦＥ信号値は、対物レンズ５の移動前の点Ｂよりも値が大きくなる（点Ｂ´）。その一方で、デフォーカス量が「Ｄ２」の点Ａについては、対物レンズ５の移動後は、ＦＥ信号値は、対物レンズ５の移動前の点Ａよりも値が小さくなる（点Ａ´）。
【００２８】
このように、ＦＥ信号値とデフォーカス量との関係を表すグラフのうち、最大値Ｐと最小値Ｖの間の領域にある点と、最大値Ｐと最小値Ｖの間の領域以外にある点とでは、対物レンズ５を距離ｄだけ移動させた後のＦＥ信号値の変化のしかたが異なる。最大値Ｐと最小値Ｖとの間の領域以外にある点Ｃについても、点Ｂと同様に、対物レンズ５を距離ｄだけ移動させた後のＦＥ信号値は、移動前と比べて値が大きくなる（点Ｃ´）。
【００２９】
したがって、検出されたＦＥ信号値に対応するデフォーカス量が２つ存在する場合には、図１の制御部２２は、対物レンズ５を所定の距離（実施例では距離ｄ）だけ移動させて、フォーカスエラー検出部８に移動後の位置でのフォーカスエラー信号を検出させる。演算部２１は、対物レンズ５の移動後のＦＥ信号値が移動前と比較して小さくなるか否かを判定することにより、移動前に検出されたＦＥ信号値に対応するデフォーカス量が、図３のグラフの最大値Ｐと最小値Ｖとの間の領域にあるか否かを判定することができる。
【００３０】
この方法によれば、図３に示す例のように、ＦＥ信号値がＦ１であり、対応するデフォーカス量がＤ１とＤ２の２通りが存在しているような場合であっても、一意にデフォーカス量「Ｄ１」を求めることができる。
【００３１】
上記のデフォーカス量の判断に用いる対物レンズ５の移動距離「ｄ」については、焦点深度を考慮して適切に設定する。すなわち、図３のＦＥ信号値とデフォーカス量との関係に含まれてくるノイズの幅より大きくとり、且つノイズの影響を受けない範囲で可能な限り小さい値を設定することが望ましい。
【００３２】
なお、ＦＥ信号値とデフォーカス量との関係は、点Ｐと点Ｖの間の領域以外では線形性が悪く、また、４分割ＰＤ１３へ入射する光量も低くなるためにＳ／Ｎ比も悪くなり、測定精度が大幅に劣る。このことから、点Ｐと点Ｖの間の領域以外については、非測定点として扱うことが望ましい。
【００３３】
あるいは、演算部２１にて判定を行った結果、点Ｐと点Ｖの範囲内にあるか否かを、３次元形状の測定画像上で表示する構成としてもよい。表示方法としては、点Ｐと点Ｖの範囲内にある点と範囲外の点とを色分け表示する、当該範囲外にある点については点線や破線で表示する、等の方法が考えられる。
【００３４】
また、ＦＥ信号値とデフォーカス量との関係は、試料１０上でレーザー光が正反射したか、あるいは乱反射したかにより異なる。このため、実施例では、図１に示すように、光路上にはＰＢＳ７とλ／４波長板６とを配置し、正反射光または乱反射光のいずれを検出するかを選択可能な構成としている。正反射光または乱反射光のいずれを検出するかを選択可能な構成とすることで、より正確にデフォーカス量を算出することが可能となり、したがって、より正確に試料１０の３次元形状を測定することが可能となる。
【００３５】
正反射光を検出したい場合は、照明光がλ／４波長板６の通過後に円偏光となるようにλ／４波長板６を回転させる。正反射光のみからフォーカスエラー信号を検出することで、ノイズの少ないフォーカスエラー信号を検出することが可能となり、ノイズの少ないフォーカスエラー信号よりデフォーカス量を求めることで、３次元形状の測定精度の向上が見込まれる。
【００３６】
乱反射光を検出したい場合は、λ／４波長板６を光路から取り外すか、あるいは、照明光がλ／４波長板６の通過後に直線偏光となるようにλ／４波長板６を回転させる。乱反射光を用いてフォーカスエラー信号を検出することで、ハレーションを効果的に防止することができ、例えば表面に傾斜と平坦部が混在するような試料１０の３次元形状の測定には非常に有効である。
【００３７】
λ／４波長板６の回転については、図１においては不図示のモータと連結しており、ユーザのλ／４波長板６の回転を指示するボタン操作等に応じて自動的に回転させる構成としてもよい。あるいは、ユーザが手動にて回転させる構成としてもよい。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態に係る３次元形状測定装置によれば、光源から出力されたレーザー光の試料１０上での焦点ずれの方向とその量を表すフォーカスエラー信号に基づき、デフォーカス量を算出し、デフォーカス量から試料１０の３次元形状を測定する。従来のように、３次元形状の測定のためにＺスタックを取得する必要がないため、高速での３次元形状測定が実現できる。
【００３９】
また、上記においては、非点収差法を用いてフォーカスエラー信号を検出する場合を例に説明しているが、これには限定されず、他の測定法、例えば臨界角法やナイフエッジ法等によってもよい。臨界角法では、２分割ＰＤを用いて、それぞれのＰＤにて検出する光量の差からフォーカスエラー信号を検出する。ナイフエッジ法においても、例えば２分割ＰＤを用いて、光軸に関してナイフエッジ側及び反対側それぞれのＰＤにて検出する光量の差からフォーカスエラー信号を検出する。これらのフォーカスエラー信号値とデフォーカス量との関係を予め記憶部２３に記憶させておき、これを参照することで、上述の非点収差法による場合と同様に、試料１０の３次元形状を求めることができる。すなわち、演算部２１は、記憶部２３を参照して、フォーカスエラー検出部にて検出されたフォーカスエラー信号値に対応するデフォーカス量を求め、求めたデフォーカス量より、試料１０の３次元形状を求めることができる。
＜第２の実施形態＞
【００４０】
上記の実施形態においては、フォーカスエラー信号の値に対応するデフォーカス量が一意に決定できない場合には、対物レンズ５を所定の距離（実施例ではｄ）だけ移動させて、デフォーカス量がどのように変化するかにより、デフォーカス量を求めている。これに対し、本実施形態においては、対物レンズ５を移動させることなく一意にデフォーカス量を決定することができる。
【００４１】
以下に、本実施形態に係る３次元形状測定装置について、上記の第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
図５は、本実施形態に係る３次元形状測定装置の構成例を示す図である。図５に示す３次元形状測定装置は、図１のそれと比較すると、フォーカスエラー検出部を２つ備えている点で異なる。図５においては、第１及び第２のフォーカスエラー検出部８及びその構成要素を識別するために、それぞれ符号Ａ及びＢを付して表している。以下、本実施形態の説明において同様とする。
【００４２】
第１のフォーカスエラー検出部８Ａは、図１のフォーカスエラー検出部８と同一の構成をとり、ＬＤ２から出力されたレーザー光が試料１０上で合焦状態であるとき、ＦＥ信号値が「０」となるよう設計されている。
【００４３】
第２のフォーカスエラー検出部８Ｂには、試料１０からの戻り光のビームスプリッタ９により光路分岐された光が入射される。第２のフォーカスエラー検出部８Ｂは、あるフォーカスエラー信号値に対応するデフォーカス量が、第１のフォーカスエラー検出部８Ａのそれと比べて「ｄ」だけシフトさせたものとなるよう、ＰＤ１３Ｂの位置が調整されている。これについて、図６を参照して説明する。
【００４４】
図６は、第１及び第２のフォーカスエラー検出部８Ａ、８Ｂのそれぞれにおいて検出されるフォーカスエラー信号値とデフォーカス量との関係について説明するための図である。
【００４５】
図６（ａ）は、第１及び第２のフォーカスエラー検出部８Ａ、８Ｂのそれぞれにおいて検出されるＦＥ信号値とこれに対応するデフォーカス量との関係を示す図である。図６（ａ）に示すように、第２のフォーカスエラー検出部８Ｂで検出されるＦＥ信号値とデフォーカス量との関係を示すグラフＧ＿Ｂは、第１のフォーカスエラー検出部８ＡのそれＧ＿Ａと比べて右方向にｄだけシフトされている。
【００４６】
図６（ｂ）は、第１及び第２のフォーカスエラー検出部８Ａ、８Ｂの構成を具体的に示す図である。
第２のフォーカスエラー検出部８ＢのＰＤ１３Ｂの設置位置は、第１のフォーカスエラー検出部８ＡのＰＤ１３Ａの設置位置と比べて、光学的距離「ｄ´」分長くなるように設定される。ここで、ｄ´は、以下の式で表される。
【００４７】
ｄ´＝ｄ×（光学系の縦倍率）…（２）
（２）式を満たすようＰＤ１３Ｂの位置を調整することで、第１及び第２のフォーカスエラー検出部８Ａ、８Ｂで検出されるＦＥ信号値とデフォーカス量との関係として、図６（ａ）に示す関係が実現される。
【００４８】
図５のコントローラ２０の記憶部２３には、図６（ａ）の２つのＦＥ信号値とデフォーカス量との関係を表すデータ（Ｇ＿Ａ、Ｇ＿Ｂ）を記憶しておく。演算部２１は、記憶部２３を参照して、第１及び第２のフォーカスエラー検出部８Ａ、８Ｂから入力されたフォーカスエラー信号の値より、対応するデフォーカス量を一意に求める。具体的には、まず、記憶部２３を参照して、第１のフォーカスエラー検出部８Ａで検出したＦＥ信号値（ＦＥ＿Ａ）に対応するデフォーカス量を求める。そして、求めたデフォーカス量と一致するグラフＧ＿Ｂ上の点のＦＥ信号値（ＦＥ＿Ｂ）を算出する。ＦＥ＿ＡからＦＥ＿Ｂを減算した結果（ＦＥ＿Ａ−ＦＥ＿Ｂ）が負の値をとる場合には、第１のフォーカスエラー検出部８Ａで検出したＦＥ信号値に対応するグラフＧ＿Ａ上の点は、グラフＧ＿Ａの最大から最小の間の領域にあると判定する。ＦＥ＿ＡからＦＥ＿Ｂを減算した結果ＦＥ＿Ａ−ＦＥ＿Ｂが正の値をとる場合には、当該点は、グラフＧ＿Ａの最大から最小の領域外にあると判定する。
【００４９】
なお、図５中のコントローラ２０についても、図１のそれと同様に、本実施形態に係る３次元形状の測定処理にかかわる構成のみを記載している。例えば、本実施形態においては対物レンズ５の移動の制御は行わないため、図１の構成と比べて、記載を一部省略している。
【００５０】
本実施形態に係る３次元形状測定装置によっても、上記第１の実施形態と同様に、Ｚスタックの取得は不要であるため、高速での３次元形状の測定が実現できる。更には、あるフォーカスエラー信号値に対応するデフォーカス量が複数存在するような場合であっても、対応するデフォーカス量を一意に決定するために対物レンズ５の移動は不要であるため、より高速に３次元形状の測定を行うことが可能となる。
＜第３の実施形態＞
【００５１】
本実施形態においては、上記の第１の実施形態と比較すると、共焦点光学系による３次元形状測定や、顕微鏡光学系により試料１０の観察を行うことが可能な点で異なる。
以下に、本実施形態に係る３次元形状測定装置について、上記の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５２】
図７は、本実施形態に係る３次元形状測定装置本体の構成例を示す図である。図７においては、３次元形状測定装置本体１の構成のみを示し、コントローラ２０については記載を省略している。
【００５３】
図７に示す３次元形状測定装置本体１は、図１の第１の実施形態に係る３次元形状測定装置本体の構成と比較すると、共焦点光学系４０、顕微鏡光学系３０及び２つのビームスプリッタ５１Ａ、５１Ｂとを更に備えている。
【００５４】
第１の実施形態の説明で記載したように、光源であるＬＤ２から出射したレーザー光は、対物レンズ５に入射し、試料１０で反射する。試料１０からの戻り光は、ビームスプリッタ５１Ｂ、５１Ａでそれぞれ光路分岐されて、共焦点光学系４０及びフォーカスエラー検出部８に入射する。
【００５５】
共焦点光学系４０は、結像レンズ４１、ピンホール４２及びＰＭＴ（光電子増倍管）４３を有する。ピンホール４２は、対物レンズ５の焦点位置と共役の関係にある。このため、試料１０からの戻り光は、結像レンズ４１で結像し、対物レンズ５の合焦位置にある光のみがピンホール４２を通過して、ＰＭＴ４３にて検出されることとなる。
【００５６】
本実施形態に係る３次元形状測定装置は、共焦点光学系４０を用いてＺスタックを取得することにより、３次元形状を測定する。共焦点光学系４０を用いて３次元形状を測定する技術については、公知の技術を用いている。
【００５７】
結像レンズ１１、シリンドリカルレンズ１２及びＰＤ１３からなるフォーカスエラー検出部８により試料１０の３次元形状を測定する場合は、高速に測定が可能である一方で、測定精度は、共焦点光学系４０を用いて３次元形状を測定する場合に劣る。
【００５８】
そこで、本実施形態に係る３次元形状測定装置１のように、フォーカスエラー検出部８及び共焦点光学系４０の両方を備え、いずれを用いて試料１０の３次元構造の測定を行うかを選択可能な構成とする。これによって、高速での測定及び高い測定精度のいずれが求められる場合であっても、それぞれの要求に適う３次元形状の測定が可能となる。
【００５９】
図７に示すように、本実施形態によれば、共焦点光学系４０とフォーカスエラー信号を検出する光学系（フォーカスエラー検出部８）とでスキャナ４を共有している。一般的に、２次元スキャナは高価であるが、これを２つの光学系で共有することで、コストダウンと省スペース化とを図ることができる。
【００６０】
フォーカスエラー検出部８や共焦点光学系４０を用いて得られる３次元測定結果は、モニタに３Ｄ表示したり、高さに応じたカラーマップとして表示することができる。
また、図７の３次元形状測定装置本体は、顕微鏡光学系３０を備えている。顕微鏡光学系３０においては、白色光源であるＬＥＤ３１から出力された光が照明レンズ３２を介してミラー３３に入射する。ミラー３３で反射した光は、更にミラー９で反射して、対物レンズ５に入射する。対物レンズ５は、入射した光を試料１０へと集光させる。試料１０上で反射した光は、ミラー９で反射して結像レンズ３４を介してカメラ３５に導かれ、カメラ３５は、試料１０の観察画像を撮像して、図７においては不図示のモニタ等に観察画像を表示させる。カメラ３５がカラーＣＣＤ（Charge Coupled Device）を搭載している場合には、試料１０のカラーカメラ画像を得ることができる。
【００６１】
なお、顕微鏡光学系３０により顕微鏡の観察画像を取得する際には、レーザー光が画像に映り込むことを防ぐため、不要な場合にはＬＤ２については消灯しておくことが望ましい。
【００６２】
このように、本実施形態に係る３次元形状測定装置は、本体に顕微鏡光学系３０を備えていることで、フォーカスエラー検出部８にて検出されるフォーカスエラー信号に基づいて測定される３次元形状と、顕微鏡光学系３０による試料１０のカラーカメラ画像とを同時にモニタに表示させることができる。
【００６３】
図８は、本実施形態に係る３次元形状測定装置１において取得してモニタに表示される画面を例示する図である。図８に例示する画面では、顕微鏡光学系３０のカメラ３５で撮像して得られる観察画像Ｉ１と共に、フォーカスエラー信号に基づき求めた３次元形状の測定画像Ｉ２を順次リアルタイムで表示していく。
【００６４】
共焦点光学系を用いて３次元形状を測定する場合には、Ｚスタックを取得するのに時間を要するため、３次元形状の測定画像を観察画像Ｉ１と共にリアルタイムで表示することは難しい。しかし、フォーカスエラー検出部８で検出されるフォーカスエラー信号の値に基づき先述の方法で３次元形状を測定する場合には、顕微鏡光学系３０で撮像して得られる観察画像Ｉ１と共にライブで３次元形状の測定画像Ｉ２を表示していくことが可能となる。
【００６５】
そして、観察画像Ｉ１と３次元形状の測定画像Ｉ２を同時に順次リアルタイムでモニタに表示させることにより、試料１０の形状については３次元形状の測定画像Ｉ２から、色情報等については観察画像Ｉ１から把握することが可能となる。これにより、ユーザにとっては、より試料１０の性状の把握が行い易くなる、という利点を有する。
【００６６】
なお、図８においては顕微鏡光学系３０で取得した観察画像と共に表示する場合を例示しているが、これに限定されるものではない。例えば、共焦点光学系４０でＺスタックを取得して得た３次元測定画像と、フォーカスエラー検出部８で検出したフォーカスエラー信号に基づき求めた３次元測定画像とを併せてモニタに表示する構成とすることもできる。上述のとおり、共焦点光学系４０では、高精度での３次元形状の測定が可能である一方で、３次元形状の画像をリアルタイムでモニタに表示させることはできない。しかし、フォーカスエラー検出部８で検出したフォーカスエラー信号に基づき求めた３次元形状の画像を併せて表示することで、測定中の試料１０の形状を大まかに把握しつつ、共焦点光学系４０で高精度での３次元形状の測定を行うことが可能となる。
＜第３の実施形態の変形例＞
【００６７】
上記第３の実施形態の変形例では、３次元形状の測定を行う共焦点光学系４０及びフォーカスエラー検出部８がそれぞれ光路から挿抜可能に構成されている。
図９Ａ及び図９Ｂは、本変形例に係る３次元形状測定装置本体による光路に挿入する光学系の切り替えについて説明する図である。図９Ａは、フォーカスエラー検出部８が光路に挿入され、共焦点光学系４０が光路から抜去された状態を、図９Ｂは、共焦点光学系４０が光路に挿入され、フォーカスエラー検出部８が光路から抜去された状態を示す。
【００６８】
なお、図７においては光路上にビームスプリッタ５１Ａ、５１Ｂを配置しているのに対し、図９Ａ及び図９Ｂにおいては、光路上にはλ／４波長板６とＰＢＳ７Ａ、７Ｂを配置している。これは、本変形例では、フォーカスエラー検出部８または共焦点光学系４０のいずれか一方が光路に挿入される構成をとるため、図７の構成のように、ビームスプリッタ５１Ａ、５１Ｂを用いて光路分岐させる必要がないためである。
【００６９】
図９Ａ及び図９Ｂに示すように、フォーカスエラー検出部８及び共焦点光学系４０自体を移動させて光路から挿抜する構成としてもよいし、あるいは、ＰＢＳ７Ａ、７Ｂのみを移動させる構成としてもよい。
【００７０】
また、図９Ａ及び図９Ｂにおいては、フォーカスエラー検出部８の構成例として、第１及び第３の実施形態におけるそれと同様の構成を記載しているが、これに限定されるものではなく、例えば図５に示す２つのフォーカスエラー検出部８Ａ、８Ｂを備える構成としてもよい。
【００７１】
本変形例のように、３次元形状の測定を行うための２つの光学系のうちの一方のみを光路に挿入できるよう、光学系を切り替え可能な構成とすることで、光路に挿入されている光学系、すなわち３次元形状の測定を行う光学系に入射する光量を増やすことができる。これにより、Ｓ／Ｎ比が向上し、測定精度を向上させることができる。
【００７２】
本発明は、上述した実施形態そのままに限定されるものではく、実施段階でのその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素を適宜組み合わせても良い。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。このような、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることはもちろんである。
【符号の説明】
【００７３】
１      ３次元形状測定装置本体
２      ＬＤ（光源）
３      コリメートレンズ
４      （２次元）スキャナ
５      対物レンズ
６      λ／４波長板
７、７Ａ、７Ｂ      偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
８、８Ａ、８Ｂ      フォーカスエラー検出部
１０    試料
１１、１１Ａ、１１Ｂ    結像レンズ
１２、１２Ａ、１２Ｂ    シリンドリカルレンズ
１３、１３Ａ、１３Ｂ    ＰＤ
２０    コントローラ
２１    演算部
２２    制御部
２３    記憶部
３０    顕微鏡光学系
３１    ＬＥＤ（白色光源）
３２    照明レンズ
３３    ミラー
３４    結像レンズ
３５    カメラ
４０    共焦点光学系
４１    結像レンズ
４２    ピンホール
４３    ＰＭＴ
５１Ａ，５１Ｂ    ビームスプリッタ
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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