(57)【要約】 【課題】  物品の表面形状を１μｍ程度未満の精度で評価でき、かつ数ｍｍ角以上の領域で上記表面形状が一様であることを短時間で定量的に評価できる方法および装置を提供する。【解決手段】  本発明の表面形状評価方法では、光源１０から出射した光５２をレンズ４２により平行光５４に変換し、これを被評価物品２０に入射する。被評価物品により反射された光束５６をレンズ４４、４６により集光し、撮像素子３０によりその２次元光強度分布を測定する。この２次元光強度分布と、上記の被評価物品を参照物品に置き換えて測定した２次元光強度分布上にＸＹ軸をとり、座標軸上の対応する点の両者の光強度値の差の２乗和により、形状の変化を評価する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的手段による物品の表面形状評価方法であって、平行光を被評価物品に入射し、前記被評価物品を透過し、または該被評価物品により反射され、もしくは回折された光束の２次元光強度分布を測定し、該２次元光強度分布と、前記被評価物品を参照物品に置き換えて測定した２次元光強度分布との差異を求めることを特徴とする表面形状評価方法。
【請求項２】
前記２次元光強度分布から予め定めた複数位置における光強度値を抽出し、これと予め求めた同位置における参照値との差を算出することを特徴とする請求項１に記載の表面形状評価方法。
【請求項３】
前記複数位置が前記２次元光強度分布の略中心位置を通る少なくとも１本の直線上に定めることを特徴とする請求項２に記載の表面形状評価方法。
【請求項４】
前記複数位置における光強度値の参照値からの差の２乗和を求め、形状評価の指標とすることを特徴とする請求項２または３に記載の表面形状評価方法。
【請求項５】
光学的手段による物品の表面形状評価装置であって、所定の波長の光を出射する光源と、該光源から出射された光を平行光に変換する光学手段と、前記平行光が被評価物品に入射され、前記被評価物品を透過し、または該被評価物品により反射され、もしくは回折された後、該被評価物品から出射する光束の２次元光強度分布を測定する手段とを備えた表面形状評価装置。
【請求項６】
前記２次元光強度分布を測定する手段は、該２次元光強度分布を電気信号に変換する撮像素子と、前記電気信号のうち、予め定めた複数位置における光強度に対応する電気信号を抽出して数値化し、これと予め求めた同位置における参照値との差を算出する演算装置とを備えることを特徴とする請求項５に記載の表面形状評価装置。
【請求項７】
前記複数位置が前記２次元光強度分布の略中心位置を通る少なくとも１本の直線上に定められたことを特徴とする請求項６に記載の表面形状評価装置。
【請求項８】
前記演算装置は、前記複数位置における光強度値の参照値からの差の２乗和を算出し、形状評価の指標として出力することを特徴とする請求項６または７に記載の表面形状評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学分野で使用される回折格子などに代表される、表面に凹凸等の微細構造を有する物品の表面形状を、迅速かつ定量的に評価するための表面形状評価方法および表面形状評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムや光学分析機器に使用される光学素子には、マイクロレンズ、回折格子、偏光素子など光の波長よりも短い１μｍ未満の微細な深さや周期の表面形状を有するものが数多く知られている。
【０００３】
これらの微細な形状の光学素子を大量に生産するためには、転写型を用いた転写成形法が優れた製造方法である。このような転写成形工程により製造された物品の表面形状が、高い精度で転写型から転写されているかどうかを評価するためには、転写成形された物品の形状を直接評価することが一般的である。
【０００４】
このような物品の表面形状を評価する方法としては、触針による機械的方法、非接触で共焦点光学系を利用する光学的方法（例えば特許文献１参照）、面精度が保証された参照面と加工品の双方で得られた反射光を干渉させる方法（例えば特許文献２参照）などが知られている。また電子顕微鏡による直接形状観察も有効な方法である。
【特許文献１】特開昭５８−１９３４０７号公報
【特許文献２】特開２００２−１１６０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、回折光学素子などの光学素子は、その周期構造については光の波長以下、すなわち１μｍ未満程度の精度を有する必要がある反面、一定のビーム径を有する光ビームに対して作用しなければならないため、上記の微細な周期構造が少なくとも数ｍｍ角（または径）以上の範囲の面内領域に一様に形成されている必要がある。
【０００６】
上記従来の表面形状評価技術はいずれも１μｍ未満の精度で物品の表面形状を評価できるが、一時に評価できる面内領域は高々数１０μｍ角程度である。したがってこれより広い範囲を評価するためには、評価位置を機械的に移動または走査するなどの手段がとられる。このため、多数の製品を評価するような目的の場合には、評価に要する時間が長く、迅速かつ定量的な評価は困難であった。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題に着目してなされたもので、その目的は、物品の表面形状を１μｍ程度未満の精度で評価でき、かつ数ｍｍ角（または径）以上の領域で上記表面形状が一様であることを短時間で定量的に評価できる方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の表面形状評価方法は、光学的手段によって物品の表面形状を評価する方法であり、平行光を被評価物品に入射し、この被評価物品を透過し、または被評価物品により反射され、もしくは回折された光束の２次元光強度分布を測定し、この２次元光強度分布と、上記の被評価物品を参照物品に置き換えて測定した２次元光強度分布との差異を求める方法である。
【０００９】
被評価物品に光を照射し、その反射光等の光強度分布を測定する方法であるので、短時間での測定が可能である。また参照物品との差異を評価することにより、被評価物品の表面形状の参照物品からの変形を定量的に評価できる。また測定される光強度分布は物品の表面形状の１μｍ程度未満の変動を感知でき、かつ照射する光ビームのビーム径によって数ｍｍ径以上の領域で上記表面形状が一様であるかどうかを評価できる。
【００１０】
上記差異を求めるには、２次元光強度分布から予め定めた複数位置における光強度値を抽出し、これと予め求めた同位置における参照値との差を算出することが望ましい。これによって、２次元光強度分布全体を使用するより、データ数を減らすことができ、評価が効率的に行える。
【００１１】
この複数位置としては、２次元光強度分布の略中心位置を通る少なくとも１本の直線上に定めることが望ましい。２次元光強度分布図の上に１本あるいは２本の直交する直線を定め、その上の定められた複数点の光強度値を用いることにより、少ないデータ数で、複数の被評価物品間での評価値を標準化して抽出できる。
【００１２】
さらに複数位置における光強度値の参照値からの差の２乗和を求めることが望ましい。これによって１つの被評価物品から得られる複数の評価値から１つの指標に数値化することができ、被評価物品の形状変化を定量的に評価できる。
【００１３】
本発明の表面形状評価装置は、光学的手段により物品の表面形状を評価するための装置であり、所定の波長の光を出射する光源と、光源から出射された光を平行光に変換する光学手段と、この平行光が被評価物品に入射され、被評価物品を透過し、または被評価物品により反射され、もしくは回折された後、被評価物品から出射する光束の２次元光強度分布を測定する手段とを備える。
この評価装置によれば上記本発明の評価方法を簡単な構成で実現できる。
【００１４】
上記２次元光強度分布を測定する手段は、２次元光強度分布を電気信号に変換する撮像素子と、この電気信号のうち、予め定めた複数位置における光強度に対応する電気信号を抽出して数値化し、これと予め求めた同位置における参照値との差を算出する演算装置とを備えることが望ましい。
【００１５】
この構成により、１つの被評価物品に対する２次元光強度分布を一時に測定し、そのうちの少ない測定データだけを用いて自動的に定量的な評価結果を得ることができる。したがって複数の被評価物品の評価を短時間で行うことが可能となる。
【００１６】
上記の複数位置は２次元光強度分布の略中心位置を通る少なくとも１本の直線上に定められることが望ましい。２次元光強度分布図の上に１本あるいは２本の直交する直線を定め、その上の定められた複数点の光強度値を用いることは装置の機能として簡便であり、少ないデータ数で、複数の被評価物品間での評価値を標準化して抽出できる。
【００１７】
また上記の演算装置は、複数位置における光強度値の参照値からの差からさらにそれらの２乗和を算出し、形状評価の指標として出力することが望ましい。この指標が提供されることで、被評価物品の形状変化を定量的に評価できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明においては、入射光を、被評価物品の表面と何らかの相互作用させ、出射される光の集光スポットの２次元強度分布を参照形状の表面によるものと比較することにより、１μｍ未満の微細な構造をもつ被測定物品の表面形状の数ｍｍ径の領域内での一様性を迅速かつ定量的に評価できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の評価方法では、物品の表面形状を評価する上で、その物品に入射された光が表面形状と何らかの相互作用（反射、透過あるいは回折等）をして出射される際の光強度分布に着目した。すなわち、参照物品の表面形状と相互作用した光の集光スポットの２次元光強度分布と、被評価物品の表面形状と相互作用した光の集光スポットの２次元光強度分布を比較することにより、被評価物品表面と相互作用することによって生じた光のエネルギー損失、すなわち波面の変形量を評価することが可能となる。この評価方法は、物品の表面形状に対する光の入射面全域における微細な表面形状の情報を、測定位置の走査等を行うことなく一時に精密に評価できる特徴を有する。
【００２０】
図１に評価系の概念図を示す。
光源１０は、レーザ等を直接使用してもよいが、レーザ等に光ファイバを接続しその端面から出射される光を利用するのが便利である。この光源からの出射光５２がコリメート光学手段であるレンズ４２により平行光５４に変換されて被評価物品である回折格子２０に照射される。回折格子２０によって反射、回折された光５６は集光され、撮像素子であるＣＣＤカメラ３０の受光面上に集光スポットが形成される。
【００２１】
集光光学手段はレンズ４４とＣＣＤカメラ前面に設けられたレンズ４６の組合せであるが、被評価物品が集光効果をもつ場合は、ＣＣＤカメラの前のレンズ４６は用いなくてもよい。また、ＣＣＤカメラ３０の画素数に対し、測定面積が十分小さい場合は被評価物品で反射された光を集光しなくても形状評価することが可能である。
【００２２】
図２に得られた測定結果の一例を示す。図2（ａ）は参照物品として用いた金型から観察された光集光スポットの測定結果を示している。ほぼ同心円状に濃淡の変化が見られる。実際の測定機上ではこの濃淡の変化が光強度の変化を表し、図2（ａ）から観察された光集光スポットは円の外側から中心に向かい同心円状に光強度が強まっていることを示している。
【００２３】
また、同図（ｂ）、（ｃ）は上記金型を用いて転写成型して作製した回折格子から得られた集光スポットの測定例であり、（ｂ）は金型の評価結果（ａ）に近い分布を示している。一方、（ｃ）は形状が変形している。この結果から、（ｂ）に比べ（ｃ）では成型品の形状または一様性が金型の形状から変形していると判断できる。
【００２４】
このようにして評価された集光スポットの２次元光強度分布を定量的に評価する方法についてつぎに説明する。もちろん２次元パターンすべてを数値化して評価してもよい。しかしデータ数を減少させるため、代表として光強度分布上の任意の点を定めて形状評価を行うのが望ましい。例えば、集光スポットのほぼ中心を通る直線上の複数の点を評価値として抽出してもよい。
【００２５】
１直線に沿った光強度分布を評価した例を図3に示す。横軸が集光スポットの中心からの距離、縦軸が光強度を表す。図3に示した１直線上の光強度分布を参照物品と被評価物品について比較することにより、参照物品に対する被評価物品の表面形状の差異を定量的に評価することができる。
【００２６】
図4は１直線上の光強度分布を用いて被評価物品の表面形状の良否を判定する方法を概念的に示した図である。この図は同位置で測定された参照物品と被評価物品の光強度をそれぞれ横軸と縦軸にとってプロットしたものを示している。参照物品と被評価物品の形状が一致する場合は、参照物品の光集光スポットにおける光強度分布と被評価物品の光強度分布は比例関係となり原点を通る直線Ａのようになる。一方、参照物品に対して被評価物品の表面形状が変化した場合には、直線関係からずれた曲線Ｂのような特性が得られる。したがって参照物品に対して被評価物品がどの程度変形しているかを視覚的に評価できる。
【００２７】
上記のような評価結果は、さらに数値で表す指標として提示することで、参照形状と評価物の形状の差を定量的に示すことが容易となる。その数値化の一方法として本発明では差の２乗和を用いた。被評価物品の各光強度測定結果と対応する点における参照値の差の２乗和を求め、これをその被評価物品の形状の指標とする。この指標により、被評価物品の参照物品からの変形を定量的に評価することができる。
【００２８】
なお、物品を加工して製作する場合、加工品の形状を望ましいものにするため、複雑な加工条件による影響を評価し、最適な条件を求める手法として品質工学が知られている（例えば、矢野宏著、品質工学計算法入門、日本規格協会、1998年、参照）。この手法を用いる場合には多数の条件で、その結果を多数評価しなければならず、本発明の方法は有効である。この方法においても上記２乗和を評価パラメータとして使用している。
以下に本発明を実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００２９】
参照物品として回折格子用のプレス成形型を用い、これを用いて転写成型された成型品の回折格子を被評価物品として評価した。測定には、図１で概念図を示した評価系を用いた。すなわち、光源に接続された光ファイバから出射された光をレンズを通して回折格子に照射する。回折格子により反射、回折された光はレンズで集光され、ＣＣＤカメラ上に集光される。また予め参照物品としての成形型についても同様に測定を行った。
【００３０】
得られた２次元光強度分布に対し、そのほぼ中心位置を原点とし、直交するＸ軸、Ｙ軸をとり、両軸上の光強度分布を図４に示した方法で抽出した。図５にその測定例を示す。図はＸ軸上及びＹ軸上の同座標における金型から得られた光強度値を横軸に、成形品から得られた光強度値を縦軸にとって示している。Ｘ軸、Ｙ軸それぞれの２曲線は正負両方向を示している。
【００３１】
図５（ａ）は成形型からの転写性の悪い場合の測定結果を、図５（ｂ）は転写性の良い場合の測定結果を示す。（ａ）の測定結果ではＸ軸、Ｙ軸ともに金型と成型品の光強度に差が見られ、転写時に成形品の形状が変化したことがわかる。一方で（ｂ）においてはＸ軸、Ｙ軸ともに金型と成型品の光強度がほぼ一致しており、また、その傾きが約１であることから、正確に表面形状が転写されていることがわかる。
【００３２】
図５の結果を定量化した数値として示すために、図５（ａ）、（ｂ）の各グラフ上の横軸の値とそれに対応する縦軸の値の差を求めて２乗し、その総和をＸ軸上及びＹ軸上のそれぞれ全データについて算出した。その値は、図５（ａ）のＸ軸では３６７、Ｙ軸では５５９と小さな値が得られたが、図５（ｂ）ではＸ軸で５２７８４、Ｙ軸では２２２１２と大きな値となり、（ａ）と（ｂ）で大きな差が見られた。すなわち、この２乗和の値を指標として用いれば、成形品の金型からの形状変化を定量的に顕著に表示できることがわかる。
【００３３】
図１には図示を省略しているが、２次元光強度分布はＣＣＤカメラから電気信号として出力されるので、これを適当なインタフェースを介してコンピュータ（演算装置）に取り込めば、規定した座標上のデータの抽出および参照値との比較を自動的に行うことができる。
【００３４】
これらの成型品の回折格子としての評価を実施した。評価系としては、可変波長のレーザ光源から出射された光を光ファイバに結合し、その端面から出射した光をレンズにより平行光として回折格子に照射した。得られた回折光をレンズで集光し、光検出器で受光した。このときの光検出器に発生する電流を監視することで回折光強度を測定し、波長を変化させた際の電流量変化を測定することで回折格子の波長分解能を評価した。その結果、図５（ａ）の成型品に対し、図５（ｂ）の成型品ではノイズ光強度が３ｄＢ以上改善できていることを確認した。回折格子からのノイズ光の発生は、回折格子の溝形状が数ｎｍ以上の水準で不連続になっていることを意味することから、本発明の評価方法により回折格子面上の溝形状の不連続性を、数ｎｍ以上の水準で検出できていることが確認された。
【００３５】
上記のような成形品は、一つの金型を用意すれば、多数の製品を短時間に製造できる点に大きな特徴がある。本発明の方法は、上記の通り、被評価物品に光を照射し、反射光束の光強度分布を測定するだけでよいため、１回の評価に要する時間は短い。したがって転写成型によって多数の製品が製造され、その評価を行う必要がある場合においても、単純に繰り返し測定を行えばよく、評価に要する時間は短時間でよい。
【００３６】
なお、金型と成型品が同形状である場合は、金型を参照物品として取り扱うことができるが、金型と成型品が反転した関係で形状が異なる場合は、良好な成型品または別に成形性の良い手法により得られたレプリカを参照物品とすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上の例では転写成形品の評価について説明したが、本発明はこれに限らず適用することができる。例えば、切削により表面構造を加工した物品の場合、最初に作製した加工品を参照物品とし、その後、製作された加工品を評価することにより、加工品の形状変化から切削工具の摩耗状態を監視することができる。その他、エッチングやレーザ加工等によって作製される微細構造の変化を監視する手段として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の表面形状評価装置の基本光学系の概念図である。
【図２】本発明の表面形状評価方法により測定された２次元光強度分布の測定結果の例を示す図である。
【図３】２次元光強度分布から１直線上における光強度分布を抽出した例を示す図である。
【図４】本発明の表面形状評価方法における定量評価方法の概念を説明する図である。
【図５】直交する２軸上における表面形状評価の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  光源
２０  被評価物品
３０  撮像素子
４２、４４，４６  レンズ
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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