(57)【要約】【課題】被検物の側壁の形状等を高精度に計測可能な対物レンズユニット、計測装置、および計測システムを提供すること。【解決手段】光源から射出された光束を第１の光束と第２の光束に分割し、第２の光束を、第１の光束の進行方向と異なる方向に位置する被検面に導く光学部材と、第１の光束を反射する反射部材と、を有し、光学部材、および反射部材は、光源から射出された光束の進行方向に沿って順に配置され、反射部材は、被検面から光学部材までの光路長と、反射部材から光学部材までの光路長が等しくなるように、第１の光束の進行方向と平行に移動可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から射出された光束を第１の光束と第２の光束に分割し、前記第２の光束を、前記第１の光束の進行方向と異なる方向に位置する被検面に導く光学部材と、
前記第１の光束を反射する反射部材と、を有し、
前記光学部材および前記反射部材は、前記光源から射出された光束の進行方向に沿って順に配置され、
前記反射部材は、前記被検面から前記光学部材までの光路長と、前記反射部材から前記光学部材までの光路長が等しくなるように、前記第１の光束の進行方向と平行に移動可能であることを特徴とするレンズユニット。
【請求項２】
光源から射出された光束を集光する対物レンズを更に有し、
前記対物レンズ、前記光学部材、および前記反射部材は、前記光源から射出された光束の進行方向に沿って順に配置されることを特徴とする請求項１に記載のレンズユニット。
【請求項３】
前記光学部材は、前記第１の光束を、前記対物レンズと前記光学部材とを結ぶ線分を前記光学部材側に延長した線上の位置に導くことを特徴とする請求項２に記載の対物レンズユニット。
【請求項４】
前記反射部材は、前記対物レンズと前記光学部材とを結ぶ線分を前記光学部材側に延長した線上に配置されることを特徴とする請求項２または３に記載のレンズユニット。
【請求項５】
前記光学部材および前記反射部材を保持する保持部材と、
前記光学部材は、前記第２の光束を、前記保持部材の側面側に導くことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレンズユニット。
【請求項６】
前記保持部材には、前記第２の光束を通過可能な構成が設けられていることを特徴とする請求項５に記載のレンズユニット。
【請求項７】
前記第２の光の進行方向は、前記光源から射出された光束の進行方向に対して垂直であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレンズユニット。
【請求項８】
前記反射部材を移動させる駆動手段を更に有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のレンズユニット。
【請求項９】
前記駆動手段は、前記反射部材の前記光源から射出された光束の進行方向側に配置されることを特徴とする請求項８に記載のレンズユニット。
【請求項１０】
前記駆動手段は、モータ、アクチュエータ、および圧電素子の少なくともいずれか１つを備えることを特徴とする請求項８または９に記載のレンズユニット。
【請求項１１】
前記光学部材は、ビームスプリッタであり、前記第１の光束を透過させるとともに、前記第２の光束を反射させることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のレンズユニット。
【請求項１２】
光源と、
前記光源から射出された光束を第１の光束と第２の光束に分割し、前記第２の光束を、前記第１の光束の進行方向と異なる方向に位置する被検面に導く光学部材と、前記第１の光束を反射する反射部材と、を備えるレンズユニットと、
前記第１の光束を前記反射部材で反射させることで生成される参照光束と前記第２の光束を前記被検面で反射させることで生成される物体光束が重畳した干渉光束を検出する検出手段と、を有し、
前記光学部材および前記反射部材は、前記光源から射出された光束の進行方向に沿って順に配置され、
前記反射部材から前記光学部材までの第１の光路長と前記被検面から前記光学部材までの第２の光路長が等しくなるように、前記第１または第２の光路長のいずれか一方を変化させることを特徴とする計測装置。
【請求項１３】
光源から射出された光束を集光する対物レンズを更に有し、
前記対物レンズ、前記光学部材、および前記反射部材は、前記光源から射出された光束の進行方向に沿って順に配置されることを特徴とする請求項１２に記載の計測装置。
【請求項１４】
前記反射部材は、前記第１の光路長を変化させるために、前記第１の光束の進行方向と平行に移動可能であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の計測装置。
【請求項１５】
前記レンズユニットまたは前記計測装置は、前記第２の光路長を変化させるために、前記第２の光束の進行方向と平行に移動可能であることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１６】
前記レンズユニットと前記被検面との接触に関する情報を検出する検出手段と、
前記反射部材を前記第１の光束の進行方向と平行に移動させるとともに、前記レンズユニットまたは前記計測装置を前記第２の光束の進行方向と平行に移動させる制御手段と、を更に有し、
前記制御手段は、前記レンズユニットまたは前記計測装置を移動させている場合に前記検出手段の検出結果に基づいて前記レンズユニットまたは前記計測装置の移動を停止させ、前記反射部材の移動を開始させることを特徴とする請求項１２から１５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１７】
請求項１２から１６のいずれか１項に記載の計測装置と、
前記検出手段の検出結果に基づいて前記被検面の表面形状と表面性状の少なくとも一方を算出する算出手段と、を有することを特徴とする計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズユニット、計測装置、および計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検面の表面形状および表面性状を計測する装置として、広帯域スペクトルを有する光源（白色光源）を用いた白色干渉計測装置が知られている。特許文献１では、物体光束の光路長と参照光束の光路長が等しくなるように、参照ミラーを移動させることで被検面の形状等を測定する測定器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５５１４６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、筒状の部品の内壁や溝形状を有する部品の溝部の側面といった被検物の側壁の形状測定に対するニーズが高まっている。特許文献１では、試料台上に設置される被検物の表面形状等を測定する方法について記載されているが、被検物の側壁の形状等を測定する方法は開示されていない。従来の計測装置を用いて被検物の側壁の形状等を直接計測するためには、被検面に光を導くために光学素子を配置する必要がある。しかしながら、光学素子を安定して配置することは非常に困難であり、高精度に被検面の形状を計測することは難しい。また、奥まった部分の形状を計測する場合、光学素子を安定して配置することはより困難となり、特許文献１のように参照ミラーが光源光の進行方向においてハーフミラーと同位置に配置されている計測装置では参照ミラーが被検物に接触してしまうおそれがある。被検物を切断等すれば従来の計測装置を用いて所望の面の形状を精度よく計測できるかもしれないが、切断等した被検物は再度使用することができなくなってしまう。
【０００５】
このような課題に鑑みて、本発明は、被検物の側壁の形状等を高精度に計測可能なレンズユニット、計測装置、および計測システム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】
【０００６】
本発明の一側面としてのレンズユニットは、光源から射出された光束を第１の光束と第２の光束に分割し、前記第２の光束を、前記第１の光束の進行方向と異なる方向に位置する被検面に導く光学部材と、前記第１の光束を反射する反射部材と、を有し、前記光学部材および前記反射部材は、前記光源から射出された光束の進行方向に沿って順に配置され、前記反射部材は、前記被検面から前記光学部材までの光路長と、前記反射部材から前記光学部材までの光路長が等しくなるように、前記第１の光束の進行方向と平行に移動可能であることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の他の側面としての計測装置は、光源と、前記光源から射出された光束を第１の光束と第２の光束に分割し、前記第２の光束を、前記第１の光束の進行方向と異なる方向に位置する被検面に導く光学部材と、前記第１の光束を反射する反射部材と、を備えるレンズユニットと、前記第１の光束を前記反射部材で反射させることで生成される参照光束と前記第２の光束を前記被検面で反射させることで生成される物体光束が重畳した干渉光束を検出する検出手段と、を有し、前記光学部材および前記反射部材は、前記光源から射出された光束の進行方向に沿って順に配置され、前記反射部材から前記光学部材までの第１の光路長と前記被検面から前記光学部材までの第２の光路長が等しくなるように、前記第１または第２の光路長のいずれか一方を変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、被検物の側壁の形状等を高精度に計測可能なレンズユニット、計測装置、および計測システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る計測装置の構成図である。
【図２】計測装置の構成図である（第１の変形例）。
【図３】計測装置の構成図である（第２の変形例）。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１１】
図１を参照して、本実施形態の計測装置１００の構成について説明する。図１は、本実施形態の計測装置１００の構成を簡易的に示す図である。図１では、計測装置１００は、筒状の被検物４００の内壁の被検面４０１を計測する位置に配置されている。計測装置１００は、装置本体２００と、対物レンズユニット（レンズユニット）３００を備える。装置本体２００は、光源２０１、ハーフミラー２０２、検出手段２０３、制御手段（算出手段）２０４、および取り付け部２０５を備える。対物レンズユニット３００は、対物レンズ（集光レンズ）３０１、ビームスプリッタ（光学部材）３０２、参照ミラー（反射部材）３０３、駆動手段３０４、およびこれらの部材を保持する鏡筒（保持部材）３０５を備える。対物レンズユニット３００は、取り付け部２０５を介して装置本体２００に着脱可能に取り付けられる。取り付け部２０５は複数の対物レンズユニットを取り付けることが可能であり、目的に応じて使用する対物レンズユニットを選択することができる。
【００１２】
なお、本実施形態では、制御手段２０４は装置本体２００に搭載されているが、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）や専用の装置として装置本体２００とは別に設けられてもよい。その場合、計測装置１００と制御手段２０４は、計測システムとして機能する。
【００１３】
なお、本実施形態では、装置本体２００は、光源２０１、ハーフミラー２０２、検出手段２０３、および制御手段（算出手段）２０４を備えるとしたが、これに限らず、装置本体２００がズームレンズ２０６または集光レンズ２０９を更に備えていてもよい。
【００１４】
なお、本実施形態では、入射した光束の一部を反射し、一部を透過する部材としてハーフミラー２０２およびビームスプリッタ３０２が使用されているが、入射した光束の一部を反射し、一部を透過させることが可能であれば、他の光学部材を使用してもよい。
【００１５】
光源２０１は、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、ＳＬＤ（スーパールミネッセンスダイオード）、またはＬＥＤ（発光ダイオード）等の白色光源である。光源２０１から射出された光束（以下、入射光束という）は、ハーフミラー２０２を透過し、対物レンズユニット３００に入射する。
【００１６】
対物レンズユニット３００に入射した光束は、対物レンズ３０１により集光され、ビームスプリッタ３０２により２分割される。ビームスプリッタ３０２により２分割された光束の一方（第１の光束）は、参照ミラー３０３に入射した後、参照ミラー３０３により反射される。本実施形態では、第１の光束は、入射光束と平行（実質的に平行であるものも含む）であるが、後述するようにビームスプリッタ３０２に対して対物レンズ３０１とは反対側に配置される参照ミラー３０３に入射されればこれに限定されない。また、ビームスプリッタ３０２により２分割された光束の他方（第２の光束）は、被検物４００の被検面４０１に入射した後、被検面４０１により反射される。本実施形態では、第２の光束は、入射光束に対して垂直（実質的に垂直であるものも含む）であるが、鏡筒３０５の側面側に進行するのであればこれに限定されない。
【００１７】
参照ミラー３０３により反射されることで生成された光（参照光束）および被検面４０１により反射されることで生成された光（物体光束）はそれぞれ、ビームスプリッタ３０２に入射し、ビームスプリッタ３０２により重畳される。本実施形態では、光学部材としてビームスプリッタ３０２を使用しているが、入射光束を２分割させ、参照光束と物体光束を重畳させることが可能であれば他の光学部材を使用してもよいし、複数の光学素子を組み合わせて使用してもよい。
【００１８】
本実施形態では、対物レンズ３０１、ビームスプリッタ３０２、および参照ミラー３０３は、入射光束の進行方向に沿って順に配置されている。このような構成とすることで、鏡筒３０５の径を小さくすることが可能であるため、鏡筒３０５が被検物４００に接触することなく、対物レンズユニット３００を溝形状などの狭小な領域に配置することができる。また、本実施形態では、参照ミラー３０３は対物レンズ３０１とビームスプリッタ３０２を結ぶ線分をビームスプリッタ３０２側に延長した線上に配置されているため、鏡筒３０５の径をより小さくすることが可能である。また、対物レンズユニット３００を配置する領域に余裕がある場合には、開口数を大きくするために対物レンズ３０１の径が大きい対物レンズユニット３００を使用することができる。対物レンズ３０１の径が大きい対物レンズユニット３００を使用する場合、例えば、装置本体２００のズームレンズ２０６またはハーフミラー２０２の径を大きくしたり、装置本体２００に部材を追加したりする等レイアウトを変更してもよい。
【００１９】
本実施形態では、鏡筒３０５の側面には、被検面４０１に入射する第２の光束および物体光束を通過させるための構成が設けられている。この構成は、第２の光束および物体光束が通過可能な構成であれば、単純な空隙や穴形状としてもよいし、被検面４０１の直前まで光束を覆うような構成であってもよい。
【００２０】
ビームスプリッタ３０２により重ね合わされた干渉光束は、対物レンズ３０１を経てハーフミラー２０２に反射され、検出手段２０３に入射する。検出手段２０３は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の撮像素子を備え、参照光束と物体光束の光路差により発生する干渉縞を検出する。制御手段２０４は、検出手段２０３から検出結果を取得する。
【００２１】
本実施形態では、制御手段２０４により駆動制御される駆動手段３０４は、参照ミラー３０３を第１の光束の進行方向と平行（矢印Ａの方向）に移動させる。本実施形態では、駆動手段３０４として圧電素子を使用しているが、モータやアクチュエータ等の他の駆動手段を使用してもよい。また、対物レンズユニット３００の小型化の観点から、駆動手段３０４は、参照ミラー３０３の入射光束の進行方向側に配置されていることが好ましい。参照ミラー３０３が第１の光束の進行方向と平行に移動することで、参照光束の光路長（第１の光路長）が変化する。検出手段２０３は、参照ミラー３０３の移動ごとに干渉縞を検出する。制御手段２０４は、干渉縞を解析する専用のプログラムに従って検出手段２０３が検出した干渉縞を解析することで被検面４０１の表面形状および表面性状を算出する。
【００２２】
本実施形態では、参照光束の光路長を変化させるために、参照ミラー３０３は駆動手段３０４により第１の光束の進行方向と平行に移動可能に構成されているが、本発明はこれに限定されない。本発明では、参照光束の光路長（第１の光路長）または物体光束の光路長（第２の光路長）のいずれか一方を固定した状態で、他方の光路長を変化させることができればよい。例えば、図２に示されるように、装置本体２００内に搭載され、制御手段２０４により駆動制御される駆動手段２０７が、参照ミラー３０３を第１の光束の進行方向と平行（矢印Ａの方向）に移動させてもよい。参照ミラー３０３が第１の光束の進行方向と平行に移動することで、参照光束の光路長が変化し、検出手段２０３は参照ミラー３０３の移動ごとに干渉縞を検出する。また、駆動手段２０８が、対物レンズユニット３００または計測装置１００のいずれかを第２の光束の進行方向と平行（矢印Ｂの方向）に移動させてもよい。対物レンズユニット３００または計測装置１００が第２の光束の進行方向と平行に移動することで、物体光束の光路長（第２の光路長）が変化する。検出手段２０３は、対物レンズユニット３００または計測装置１００の移動ごとに干渉縞を検出する。対物レンズユニット３００または計測装置１００のいずれかを駆動手段２０８により矢印Ｂの方向へ移動させることは、被検物の深さが浅く、参照ミラー３０３を第１の光束の進行方向に平行に移動させることが困難な場合に有効である。なお、本実施形態では、制御手段２０４が各駆動手段を駆動させているが、別の装置を用いて各駆動手段を駆動させてもよい。
【００２３】
また、図２の構成において、鏡筒３０５の側面であって、被検面４０１に入射する第２の光束および物体光束を通過させるための構成が設けられている面と反対側の側面に、検出機構（不図示）を設けてもよい。検出機構は、例えば、物体との接触を検出可能な接触式センサーや、物体との距離を検出可能な超音波センサー等であり、対物レンズユニット３００と被検物４００の内壁との接触に関する情報を検出する。制御手段２０４は、検出機構の検出結果を用いて駆動手段２０７および駆動手段２０８の駆動を制御する。
【００２４】
以下、検出機構が対物レンズユニット３００と被検物４００の内壁との接触に関する情報としてレンズユニット３００と被検物４００の内壁との距離を検出する場合について説明する。制御手段２０４は、駆動手段２０８を駆動させ、対物レンズユニット３００または計測装置１００を移動させている場合、検出機構が検出する距離に基づいて対物レンズユニット３００が被検物４００の内壁に接近しているかどうかを判定する。例えば、制御手段２０４は、検出機構が検出する距離が所定値より小さい場合に対物レンズユニット３００が被検物４００の内壁に接近していると判定する。制御手段２０４は、対物レンズユニット３００が被検物４００の内壁に接近していると判定すると、駆動手段２０８の駆動を停止し、駆動手段２０７の駆動を開始する。このとき、駆動手段２０７は、実質的に物体光束の光路長（第２の光路長）を変化させた場合と同様の効果が得られるように、参照ミラー３０３を移動させ、参照光束の光路長（第１の光路長）を変化させる。このような制御により、対物レンズユニット３００が被検面４０１に接触してしまうおそれがある場合でもユーザから新たな操作を受け付けることなく、実質的に物体光束の光路長（第２の光路長）を変化させた場合と同様の効果を得ることが可能となる。
【００２５】
なお、本実施形態では、対物レンズユニット３００が被検物４００の内壁に接近した場合に制御部２０４は駆動部の駆動を切り換えているが、本発明はこれに限定されない。検出機構が対物レンズユニット３００と被検物４００の内壁との接触を検出する場合、制御手段２０４は検出機構が対物レンズユニット３００と被検物４００の内壁との接触を検出した直後に駆動部の駆動を切り換えてもよい。
【００２６】
また、本実施形態では、参照ミラー３０３は対物レンズ３０１とビームスプリッタ３０２を結ぶ線分をビームスプリッタ３０２側に延長した線上に配置されているが、図３に示されるように、鏡筒３０５内の当該鏡筒３０５の側面に配置してもよい。このとき、光学部材３０６を介して参照ミラー３０３に入射した第１の光束は、参照ミラー３０３により反射され、光学部材３０６を介して参照光束としてビームスプリッタ３０２に入射する。また、参照ミラー３０３は、図のＣ方向に沿って移動可能に構成される。
【００２７】
また、本実施形態では、対物レンズ３０１は鏡筒３０５内に設けられているが、図３に示されるように、装置本体２００内に設けられてもよい。このとき、鏡筒３０５は、ビームスプリッタ３０２と参照ミラー３０３を保持する。
【００２８】
以上説明したように、本発明の装置を用いることで、他の光学部材を設置することなく、筒状の部品の内壁や複雑な形状の部品の奥まった部分の側面の形状を直接計測することができる。したがって、本発明では、被検物の側壁を高精度に計測することが可能となる。
【００２９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００３０】
３００  対物レンズユニット（レンズユニット）
３０２  ビームスプリッタ（光学部材）
３０３  参照ミラー（反射部材）
【図１】
2017181172.tif 000003
【図２】
2017181172.tif 000004
【図３】
2017181172.tif 000005