(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ヘッドを用いて測定光を被測定試料上にフォーカスさせ、該被測定試料の三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、
光源からの光により得られる光ヘテロダインの参照ビート信号と、
該被測定試料からの光により得られる光ヘテロダインの測定ビート信号を、ローパスフィルタとハイパスフィルタに通して直流成分と交流成分とを検出し、検出した直流成分の強度に対する交流成分の強度の比が最大になる位置における該測定ビート信号との位相差を記憶して初期位相差とし、
前記参照ビート信号と前記測定ビート信号との位相差が、記憶された前記初期位相差からの変化を打ち消すように該光ヘッドの光軸方向のフォーカスサーボを行いながら、該被測定試料の形状を測定することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
光ヘッドを用いて測定光を被測定試料上にフォーカスさせ、該被測定試料の三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、
該被測定試料からの光により得られる光ヘテロダインの測定ビート信号を、ローパスフィルタとハイパスフィルタに通して直流成分と交流成分とを検出し、検出した直流成分の強度に対する交流成分の強度の比が最大になるように該光ヘッドの光軸方向にフォーカスサーボを行いながら、該被測定試料の三次元形状を測定することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項３】
該フォーカスサーボを該光ヘッドを光軸方向に移動させて行うとともに、該被測定試料を載置したステージを光軸と直交する方向に走査し、走査時の該ステージの座標と該光ヘッドの光軸方向の座標値をモニタすることにより該被測定試料の三次元形状を測定することを特徴とする請求項１記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
該フォーカスサーボを該被測定試料を載置したステージを光軸方向に移動させて行うとともに、該ステージを光軸と直交する方向に走査し、走査時の該ステージの光軸方向、及び光軸と直交方向の座標値をモニタすることにより該被測定試料の三次元形状を測定することを特徴とする請求項１記載の三次元形状計測装置。
【請求項５】
該フォーカスサーボを該被測定試料に対し該光ヘッドを光軸方向と光軸と直交方向に走査し、走査時の該光ヘッドの座標値をモニタすることにより該被測定試料の三次元形状を測定することを特徴とする請求項１記載の三次元形状計測装置。
【請求項６】
光ヘッドを用いて測定光を被測定試料上にフォーカスさせ、該被測定試料の三次元形状を測定する三次元形状測定方法において、
光源からの光により得られる光ヘテロダインの参照ビート信号と、
該被測定試料からの光により得られる光ヘテロダインの測定ビート信号を、ローパスフィルタとハイパスフィルタに通して直流成分と交流成分とを検出し、検出した直流成分の強度に対する交流成分の強度の比が最大になる位置における該測定ビート信号と、
の位相差を記憶して初期位相差とし、
前記参照ビート信号と前記測定ビート信号との位相差が、記憶された前記初期位相差からの変化を打ち消すように該光ヘッドの光軸方向にフォーカスサーボを行いながら、該被測定試料の形状を測定することを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項７】
光ヘッドを用いて測定光を被測定試料上にフォーカスさせ、該被測定試料の三次元形状を測定する三次元形状測定方法において、
該被測定試料からの光により得られる光ヘテロダインの測定ビート信号を、ローパスフィルタとハイパスフィルタに通して直流成分と交流成分とを検出し、検出した直流成分の強度に対する交流成分の強度の比が最大になるように該光ヘッドの光軸方向にフォーカスサーボを行いながら、該被測定試料の三次元形状を測定することを特徴とする三次元形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は三次元形状計測方法及び装置に関し特に光ヘテロダイン法を用いた高精度な三次元形状計測方法及び装置に良好に適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
被測定物体の三次元的な形状を非接触かつ高精度に測定する三次元形状測定に関しては、例えば図6の特公平2-11084号公報で提案されている光ヘテロダインを用いた装置が知られている。図中、光源301はゼーマンレーザでわずかに異なる周波数f1、f2で互いに直交する偏光方向を持つ2つの直線偏光を同時発振する。光源301から発振したレーザの内の一部の光はビームスプリッタ302により光検出器303に入射し、参照ビート信号として光電検出される。
【０００３】
ビームスプリッタ302を通過したレーザ光のうち周波数f2のレーザ光は偏光ビームスプリッタ304で上方へ反射されてレンズで集光され固定鏡305で反射された後、光検出器306に達する。一方、偏光ビームスプリッタ304を透過した周波数f1のレーザ光はハーフミラー307を通過し、対物レンズ308により被測定試料309に入射する。被測定試料309で反射したレーザ光は偏光ビームスプリッタ304まで元の光路を戻り、そこで反射されて光検出器306に達して周波数f2の光と干渉し、測定ビート信号が光電検出される。ここで参照ビート信号と測定ビート信号の周波数差Δfを積分すると、被測定試料の変位あるいは形状が測定できる。
【０００４】
本測定法では測定光が被測定試料309面上にフォーカスしていなければならないため、被測定試料309からの反射光の一部はハーフミラー307により分岐され、光検出器310、311によりフォーカスサーボ用の信号が検出される。該フォーカスサーボ信号より対物レンズ308を光軸方向、及び光軸と直交する方向に移動させて、レーザ光が常に被測定試料309面上にフォーカスし、かつ被測定試料309の法線方向から入射するように制御している。この状態で、被測定試料309を駆動装置312により回転対称軸回りに回転(θ)させるとともに、半径方向に移動させることで被測定試料309全体が測定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法では測定光を被測定面上にフォーカスさせ、かつ被測定面の法線方向から測定光を入射させるために形状測定用の光学系とは別にフォーカス検出用の光学系が必要となり、装置が複雑になるという問題がある。又、フォーカス検出をより高い精度で行える装置が求められてきた。
【０００６】
本発明では高精度に被測定物を非接触測定できる三次元形状測定方法及び装置を提供することを目的としている。本発明は更にこれを簡易な構成で実現できる方法及び装置の提供を他の目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の三次元形状計測装置は、光ヘッドを用いて測定光を被測定試料上にフォーカスさせ、該被測定試料の三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、
光源からの光により得られる光ヘテロダインの参照ビート信号と、
該被測定試料からの光により得られる光ヘテロダインの測定ビート信号を、ローパスフィルタとハイパスフィルタに通して直流成分と交流成分とを検出し、検出した直流成分の強度に対する交流成分の強度の比が最大になる位置における該測定ビート信号との位相差を記憶して初期位相差とし、
前記参照ビート信号と前記測定ビート信号との位相差が、記憶された前記初期位相差からの変化を打ち消すように該光ヘッドの光軸方向のフォーカスサーボを行いながら、該被測定試料の形状を測定することを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明の三次元形状計測装置は、光ヘッドを用いて測定光を被測定試料上にフォーカスさせ、該被測定試料の三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、
該被測定試料からの光により得られる光ヘテロダインの測定ビート信号を、ローパスフィルタとハイパスフィルタに通して直流成分と交流成分とを検出し、検出した直流成分の強度に対する交流成分の強度の比が最大になるように該光ヘッドの光軸方向にフォーカスサーボを行いながら、該被測定試料の三次元形状を測定することを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明は請求項１の発明において、該フォーカスサーボを該光ヘッドを光軸方向に移動させて行うとともに、該被測定試料を載置したステージを光軸と直交する方向に走査し、走査時の該ステージの座標と該光ヘッドの光軸方向の座標値をモニタすることにより該被測定試料の三次元形状を測定することを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明は請求項１の発明において、該フォーカスサーボを該被測定試料を載置したステージを光軸方向に移動させて行うとともに、該ステージを光軸と直交する方向に走査し、走査時の該ステージの光軸方向、及び光軸と直交方向の座標値をモニタすることにより該被測定試料の三次元形状を測定することを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明は請求項１の発明において、該フォーカスサーボを該被測定試料に対し該光ヘッドを光軸方向と光軸と直交方向に走査し、走査時の該光ヘッドの座標値をモニタすることにより該被測定試料の三次元形状を測定することを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明の三次元形状計測方法は、光ヘッドを用いて測定光を被測定試料上にフォーカスさせ、該被測定試料の三次元形状を測定する三次元形状測定方法において、
光源からの光により得られる光ヘテロダインの参照ビート信号と、
該被測定試料からの光により得られる光ヘテロダインの測定ビート信号を、ローパスフィルタとハイパスフィルタに通して直流成分と交流成分とを検出し、検出した直流成分の強度に対する交流成分の強度の比が最大になる位置における該測定ビート信号と、
の位相差を記憶して初期位相差とし、
前記参照ビート信号と前記測定ビート信号との位相差が、記憶された前記初期位相差からの変化を打ち消すように該光ヘッドの光軸方向にフォーカスサーボを行いながら、該被測定試料の形状を測定することを特徴としている。
【００１３】
請求項７の発明の三次元形状計測方法は、光ヘッドを用いて測定光を被測定試料上にフォーカスさせ、該被測定試料の三次元形状を測定する三次元形状測定方法において、
該被測定試料からの光により得られる光ヘテロダインの測定ビート信号を、ローパスフィルタとハイパスフィルタに通して直流成分と交流成分とを検出し、検出した直流成分の強度に対する交流成分の強度の比が最大になるように該光ヘッドの光軸方向にフォーカスサーボを行いながら、該被測定試料の三次元形状を測定することを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態1を示すものである。図中、101は可干渉性の単一周波数の光を放射するレーザ光源である。レーザ光源から発振されたレーザ光はミラーM1で反射し、ビームスプリッタ102により反射光と透過光に分割される。反射光はM2で反射され、音響光学素子104aで周波数シフトを受けて周波数f1のレーザ光となる。透過光は音響光学素子104bで周波数シフトを受け周波数f2のレーザ光となり、ミラーM3で反射された後、半波長板105により偏光方位が90°回転する。音響光学素子104a、104bは音響光学素子ドライバ104cで駆動されている。周波数f1、f2のレーザ光は偏光ビームスプリッタ103で合成されて互いに直交する直線偏光となる。上記、直線偏光の生成にはゼーマン効果を利用したゼーマンレーザを使用することも可能である。
【００２１】
レーザ光はビームスプリッタ106で透過光と反射光に分割される。反射した周波数f1、f2の光は直線偏光素子107aを通過後に干渉し、光検出器108で参照ビート信号として光電検出される。該参照信号は音響光学素子ドライバ104cの駆動電圧からミキサ回路を用いて作ることも可能である。
【００２２】
透過した光は偏光面保存光ファイバ109に入射し、偏光面を保存されたまま光ヘッドへ導かれる。光ヘッド内で偏光面保存光ファイバから出射したレーザ光はビームエキスパンダ110でビーム径を拡大され、偏光ビームスプリッタ111へ入射する。偏光ビームスプリッタ111に入射したレーザ光は偏光成分により二つに分割される。周波数f1の偏光成分は四分の一波長板112aを通過し、対物レンズ113により被測定試料114の面上に焦点を結び、反射される。被測定試料114の面に面傾斜がある場合でも、面傾斜角が対物レンズ113の半開角以下であれば反射光の一部は対物レンズ113を通り、同じ光路を戻る。
【００２３】
被測定試料114は光軸と直交する面内方向の二軸(XY軸)を持つ試料ステージ115上に設置されている。試料ステージ115にはX軸レーザ測長器116とX軸測長用ミラー117、及び図には記入されていないがY軸レーザ測長器とY軸測長用ミラーが設置され、試料ステージ115の位置が精密に測定される。
【００２４】
一方、周波数f2の偏光成分は四分の一波長板112bを通過し、参照平面鏡118で反射される。両方の光路中にある四分の一波長板112a、112bは入射偏光に対して出射偏光方位を90°回転させることで、光源へ反射光を戻さない役割をしている。
周波数f1、f2の反射光は再び偏光ビームスプリッタ111で一つに合成される。合成されたレーザ光は直線偏光素子107bを通過後に干渉し、集光レンズ119により光検出器120上に集光され光電検出されて測定ビート信号を生成する。
【００２５】
光ヘッド121には光軸であるZ方向に測長用ミラー122が固定され、Z軸方向の位置をZ軸レーザ測長器123で精密測定する。光検出器120で光電検出された測定ビート信号は参照ビート信号とロックインアンプ124で同期検出され、測定ビート信号の強度、参照ビート信号と測定ビート信号の位相差（初期位相差）が検出される。測定ビート信号の強度、位相差及びZ軸測長器からの信号はA/D変換器125を介して、コンピュータ126に取り込まれ、該コンピュータ126からの信号はサーボドライバ127を介して駆動信号に変換されて、試料ステージ115または光ヘッド121を駆動する。実際の測定の流れを示したのが図2である。最初はフォーカス検出で、光ヘッド121を被測定試料114にZ軸方向から接近させながら光検出器120で測定ビート信号を検出し、該測定ビート信号の強度が最大になる位置で光ヘッド121を止める。測定ビート信号の強度が最大になった状態で測定光は被測定試料114面上にフォーカスしているので、この位置における参照ビート信号と測定ビート信号の位相差を測定する。測定された位相差により、参照鏡118と被測定試料114の光路長差が求められる。従って、位相差が一定になるように光ヘッド121のZ軸方向にサーボをかけながら試料ステージ115をXY軸に走査し、光ヘッド121のZ軸方向の移動をZ軸レーザ測長器123で検出すると、光ヘッド121のZ軸方向の動きは試料の表面をなぞることになる。従って、測定ビート信号からサーボ系のエラーを求め、Z測長器123からのデータを補正することにより被測定試料114の三次元形状を精密に補正することができる。
【００２６】
上記実施例では光ヘッドZを軸、試料ステージをXY方向に移動させたが、光ヘッドと試料ステージがXYZ座標で相対的に任意に移動できれば、光ヘッド、試料ステージのどちらを移動させてもよい。例えばXYZ軸移動の全ての機能を光ヘッドに持たせて各軸をレーザ測長器でモニタする構成も、同様に試料ステージ側で行う構成も可能である。
【００２７】
測定光のフォーカスの検出を詳しく説明したのが図3である。図示したように対物レンズによる測定光が被測定面上にフォーカスしている場合に光検出器120で検出されるビート信号の強度が最大になる。測定光が被測定面上にフォーカスしていない場合は、光検出器120上に干渉縞が生じるため、検出されるビート信号の強度が小さくなる。従って、光検出器120で検出されるビート信号が最大になるように光ヘッド121または試料ステージ115を光軸(Z)方向に移動することで、測定光を常に被測定面上にフォーカスさせることができる。また、被測定試料114が面傾斜を有する場合、反射光は図4のようにずれて戻ってくるが、この場合も干渉縞の影響で被測定試料114面上に測定光がフォーカスされた時に検出されるビート信号の強度が最大になるため、同様の方法で測定光を被測定試料114面上にフォーカスさせることができる。ビート信号の強度の検出について上記実施例ではロックインアンプを用いた構成を示したが、検出信号をハイパスフィルタに通して直流成分をカットした後、ピークディテクタにより交流成分の強度を検出する方法、あるいは検出信号を二つに分け、一方をローパスフィルタに通して直流成分、他方をハイパスフィルタに通して交流成分を検出し、交流成分と直流成分の比(ビジビリティ)をビート信号強度として検出する方法、また検出信号をローパスフィルタに通過させて直流成分を検出し、該直流成分の強度からビート信号強度を求める方法を用いることもできる。ビート信号の位相についても本実施形態ではロックインアンプを用いて検出したが、位相計を用いても検出が可能である。
【００２８】
本発明の実施形態2も装置構成は図1と同様である。本実施形態における実際の測定の流れを説明したのが図5である。先ず最初に光ヘッド121を被測定試料114にZ軸方向から接近させながら光検出器120で測定ビート信号を検出し、該信号の強度が最大になる位置で光ヘッド121を止める。測定ビート信号強度が最大となった状態で測定光は被測定試料114面上にフォーカスしているので、測定ビート信号の強度が常に最大になるように光ヘッド121をZ軸方向にサーボをかけながら試料ステージ115をXY軸に走査する。走査に伴い光ヘッド121のZ軸方向の移動がZ軸レーザ測長器123で検出される。Z軸レーザ測長器123からの測定値と測定ビート信号から参照鏡118と被測定試料114の光路長差が求められるため、被測定試料114の三次元形状を精密に測定することができる。
【００２９】
本実施形態では光ヘッド121をZ軸、試料ステージ115をXY方向に移動させたが、実施形態1の説明で述べたように、光ヘッド121と試料ステージ115がXYZ座標で相対的に任意に移動できれば、光ヘッド121、試料ステージ115のどちらを移動させてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の三次元形状計測方法及び装置では、対物レンズを用いて測定光を被測定面上にフォーカスさせつつ、三次元形状を計測する際、へテロダインの測定ビート信号の例えば強度あるいは位相を測定光のフォーカス状態の検出に利用することを特徴としている。これにより精度良くフォーカス検出ができ、測定精度が向上する。本発明では例えば光ヘテロダイン法を用いて三次元形状を計測する際には測定光を被測定試料面上にフォーカスするためのフォーカス状態検出用光学系を特別に用意する必要がないため、装置構成が簡単になるとともに、測定信号自体を用いてフォーカスの検出を行うため、高い測定精度で被測定試料の三次元形状を非接触測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１の構成図、
【図２】  実施形態1の測定フローチャート、
【図３】  測定光のフォーカスの説明図、
【図４】  面傾斜がある場合の測定光のフォーカスの説明図、
【図５】  実施形態2のフローチャート、
【図６】  従来の三次元形状測定装置を示す図
【符号の説明】
101  レーザ光源
103、111  偏光ビームスプリッタ
104a、104b  音響光学素子
104c  音響光学素子ドライバ
105  半波長板
102、 106  ビームスプリッタ
107a、107b    直線偏光子
108  光検出器
109  偏光面保存光ファイバ
110  ビームエキスパンダ
111  偏光ビームスプリッタ
112a、112b  四分の一波長板
113  対物レンズ
114  被測定試料
115  試料ステージ
116  X軸レーザ測長器
117  X軸測長用ミラー
118  参照平面鏡
119  集光レンズ
120  光検出器
121  光ヘッド
122  Z軸測長用ミラー
123  Z軸測長器
124  ロックインアンプ
125  A/D変換器
126  コンピュータ
127  サーボドライバ
301  ゼーマンレーザ
302  ビームスプリッタ
303、306、310、311  光検出器
304  偏光ビームスプリッタ
305  固定鏡
307  ハーフミラー
308  対物レンズ
309  被測定試料
312  駆動装置
【図１】
0004536873.tif 000002
【図２】
0004536873.tif 000003
【図３】
0004536873.tif 000004
【図４】
0004536873.tif 000005
【図５】
0004536873.tif 000006
【図６】
0004536873.tif 000007