JP2005017127A - 干渉計および形状測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】被写界深度を深くとることができるとともに、被検体の表面が傾斜面である場合でも干渉縞をＣＣＤなどの検出手段で検出することができるようにする。
【解決手段】複数の光束を出射する光源と、上記光源から出射された複数の光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る複数の光束に分割し、上記２つの光路のうちの一方の光路を通る複数の光束を参照面に照射して反射させるとともに、上記２つの光路のうちの他方の光路を通る複数の光束を被検体の表面に集光して反射させる第１の光学系と、上記参照面からの反射光と上記被検体の表面からの反射光とを上記ビームスプリッターにより重ね合わせ、上記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出させる第２の光学系とを有し、上記光源と上記被検体の表面および上記参照面が共役であるようにした。
【選択図】 図５
【解決手段】複数の光束を出射する光源と、上記光源から出射された複数の光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る複数の光束に分割し、上記２つの光路のうちの一方の光路を通る複数の光束を参照面に照射して反射させるとともに、上記２つの光路のうちの他方の光路を通る複数の光束を被検体の表面に集光して反射させる第１の光学系と、上記参照面からの反射光と上記被検体の表面からの反射光とを上記ビームスプリッターにより重ね合わせ、上記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出させる第２の光学系とを有し、上記光源と上記被検体の表面および上記参照面が共役であるようにした。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計および形状測定装置に関し、さらに詳細には、非接触かつ非破壊で測定対象物たる被検体の表面における２次元平面の凹凸状態、即ち、３次元形状を備えた被検体の表面形状を精密に測定する際に用いて好適な干渉計および形状測定装置に関する。
【０００２】
【発明の背景ならびに従来の技術】
従来より、光源から出射された光束を２つの光路を通る光束に分割し、これら２つの光路のうちの一方の光路を通る光束を参照面に照射して反射させるとともに、これら２つの光路のうちの他方の光路を通る光束を被検体の表面に照射して反射させ、参照面からの反射光と被検体の表面からの反射光とを重ね合わせ、これら２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して観察することができるようにした干渉計が知られている。
【０００３】
また、上記したような干渉計を備えていて、当該干渉計により観察された干渉縞を解析して、非接触かつ非破壊で被検体の表面における２次元平面の凹凸状態、即ち、３次元形状を備えた被検体の表面形状を精密に測定することのできる形状測定装置も知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１８５５２９号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００３−１０１１１１号公報
ここで、図１には、干渉計としてマイケルソン型干渉計を用いた公知の波長走査干渉計を備えた従来の形状測定装置の基本構成を示す概念構成説明図が表されている。
【０００６】
なお、波長走査干渉計は、物体の表面の各点に対して高さの絶対値を求めることができるので、任意形状の物体の表面形状を測定する際に用いるのに適している。
【０００７】
この図１に示す波長走査干渉計は、システム全体の制御を行うとともに後述する検出手段としてＣＣＤを備えたマルチポートＣＣＤカメラ（Ｄｉｇｉｔａｌ ＭＣＣＤ）４８が検出して撮像した干渉縞を解析して被検体３８の表面における２次元平面の凹凸状態、即ち、３次元形状の被検体３８の表面形状を取得するための処理（なお、干渉縞を解析して３次元形状の被検体の表面形状を取得するための処理は公知の技術を適用することができるので、その詳細な説明は省略する。）を行う手段たるコンピュータ１０と、干渉計１８と、コンピュータ１０の制御に基づいて波長可変レーザー１２（後述する。）ならびにマルチポートＣＣＤカメラ４８を制御するための制御信号を出力する信号生成器（Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）２０とを有して構成されている。
【０００８】
ここで、干渉計１８は、光源部と本体部１８ａとを有してなり、光源部は、発振波長を連続的に変化させることのできる波長可変レーザー（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ（波長可変レーザーとしては、例えば、ＹＡＧレーザーなどから出射される励起光により励起されるとともに、光音響素子を用いた波長選択素子（ＡＯＴＦ：ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｔｕｎａｂｌｅ ｆｉｌｔｅｒ）を用いて電子制御により波長選択を行うチタンサファイアレーザーなどを用いることができる。））１２と、波長可変レーザー１２から出射されたレーザー光を導光する全反射ミラー１４ａ、１４ｂなどから構成される光学系機器群１４と、光学系機器群１４から出射された光束を導光する光ファイバー１６とを有して構成されている。そして、光源部の光ファイバー１６から出射された光束は、本体部１８ａに入射される。
【０００９】
本体部１８ａは、光源部の光ファイバー１６から入射された光束の一部（例えば、５０％。）を透過するとともに残部（例えば、５０％。）を反射するハーフミラー３０と、ハーフミラー３０により反射された光束を平行にするコリメーターレンズ３２と、後述するようにビームスプリッター３６で合成された反射光をマルチポートＣＣＤカメラ４８に結像するための結像レンズ３４と、後述するように入射された光束を２つの光路に分割するとともに２つの光路から入射された反射光を合成して重ね合わせるビームスプリッター３６と、３次元形状の被検体３８を載置するとともに図示しないモーターなどにより駆動されて図１において矢印で示す移動方向や紙面の垂直方向などの任意の方向に移動可能な移動ステージ４０と、基準となる参照光を形成するための反射面を構成する参照面ミラー４２と、開口部４４ａを備えていてビームスプリッター３６で合成された反射光の光量を調節する光量絞り４４と、光量絞り４４を透過した反射光の偏光を制御し干渉縞を生じさせる偏光フィルター４６と、偏光フィルター４６を透過した反射光をＣＣＤに結像させて検出することによりビームスプリッター３６による反射光の合成による重ね合わせで生成された干渉縞を検出して撮像するマルチポートＣＣＤカメラ４８とを有するマイケルソン型干渉計として構成されている。
【００１０】
以上の構成において、干渉計１８においては、波長可変レーザー１２から出射されたレーザー光は、光学系機器群１４および光ファイバー１６を介してハーフミラー３０へ入射される。即ち、光源からハーフミラー３０へ光束が入射されると、ハーフミラー３０は、入射された光束の一部を透過し、その残部を反射する。
【００１１】
ハーフミラー３０によって反射された光束は、コリメーターレンズ３２に入射されて平行にされた後に、ビームスプリッター３６に入射される。
【００１２】
ビームスプリッター３６は、入射された平行光束の一部（例えば、５０％。）を透過するとともにその残部（例えば、５０％。）を反射して、入射された平行光束を２つの光路に分割する。そして、ビームスプリッター３６を透過した一方の光路の平行光束は被検体３８の表面で反射されて反射光となってビームスプリッター３６へ戻り、ビームスプリッター３６により反射された他方の光路の平行光束は参照面ミラー４２の表面で反射されて反射光となってビームスプリッター３６へ戻り、これら２つの光路の反射光がビームスプリッター３６で合成されて重ね合わされる。
【００１３】
上記のようにして、ビームスプリッター３６において２つの光路の反射光が合成されて重ね合わせられることにより、これら２つの反射光の光路差により干渉縞が発生し、発生した干渉縞がマルチポートＣＣＤカメラ２０のＣＣＤにより検出されて撮像される。即ち、ビームスプリッター３６において重ね合わせられた光束は、ハーフミラー３０を透過して、光量絞り４４および偏光フィルター４６を介してマルチポートＣＣＤカメラ２０に入射して、マルチポートＣＣＤカメラ２０を構成するＣＣＤにより検出されて結像され、マルチポートＣＣＤカメラ２０により撮像される。
【００１４】
マルチポートＣＣＤカメラ２０により撮像された干渉縞は、コンピュータ１０により解析されて、被検体３８の表面における２次元平面の凹凸状態、即ち、３次元形状の被検体３８の表面形状が取得される。
【００１５】
ところで、上記した従来の干渉計においては、一般に、検出器側から見た被写界深度を深くして焦点合わせを容易にするために、結像レンズ３４などの結像側光学系の開口角を小さくして開口数を小さくする必要がある（図２参照）。
【００１６】
従って、例えば、図３（ａ）に示すように、被検体３８の表面が、ビームスプリッター３６を透過した一方の光路の平行光束の光路に対して、基準面ＲＦ（平行光束は、基準面ＲＦに対して垂直に入射する。）から傾斜した傾斜面である場合（図３（ａ）において傾斜面が破線である場合。）には、当該傾斜面からの反射光が結像レンズ３４の開口角内、即ち、結像レンズ３４の開口数によって決定される領域（図３（ａ）において斜線で示す領域）内に入らなくなり、干渉縞をマルチポートＣＣＤカメラ２０のＣＣＤで検出して結像することができなくなるという問題点があった。
【００１７】
即ち、被検体３８の表面に照射される光束が平行光束であるため、被検体３８の表面が傾斜面である場合には、当該傾斜面により反射される反射光をマルチポートＣＣＤカメラ２０で撮像することができず、干渉縞を検出不能になるという問題点があった。
【００１８】
なお、散乱光を被検体３８の表面に照射した際の反射光を用いて干渉縞を検出することも考えられるが、一般にその光量は非常に低く、検出が困難であるということが指摘されている。
【００１９】
一方、散乱光強度を高めるために、被検体表面に散乱剤を塗布する方法も公知であるが、当該方法では、非接触測定の長所を生かすることができないものであった。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような発明の背景ならびに従来の技術の有する問題点や従来の技術に対する要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、被写界深度を深くとることができるとともに、被検体の表面が傾斜面である場合でも干渉縞をＣＣＤなどの検出手段で検出することができるようにした干渉計および形状測定装置を提供しようとするものである。
【００２１】
即ち、本発明は、被検体の表面が曲率を持つ面などのように基準面に対して傾斜した傾斜面であっても、干渉縞をＣＣＤなどの検出手段で検出することができるようにした干渉計および形状測定装置を提供しようとするものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による干渉計は、被検体の表面が基準面ＲＦに対して傾いた傾斜面であっても、被検体の表面の傾斜面に照射される光束が、図３（ｂ）に示すように当該傾斜面に対して様々角度から入射されるような場合には、傾斜面からの反射光の一部でも結像光学系の開口角内に入るようになり、ＣＣＤなどの検出手段で干渉縞を検出可能な傾斜面の傾斜角度の許容範囲が広くなるという着想に基づいてなされたものである。
【００２３】
即ち、本願発明者は、被検体からの反射光が入射される結像側光学系の焦点深度たる被写界深度は、結像側光学系の開口数によって決定され、一方、ＣＣＤなどの検出手段で干渉縞を検出可能な被検体の表面における傾斜角度の許容範囲は、当該傾斜面に照射される光束の当該傾斜面に対する入射の角度によって決定されるという技術思想に基づいて、本発明をなしたものである。
【００２４】
つまり、本発明は、結像側光学系の開口数を小さくしたままで深い被写界深度を確保しつつ、その一方で、被検体の表面に照射される光束が当該被検体に対して様々な入射角度から入射可能として、当該被検体の表面の傾斜角度の許容範囲を広くするようにしたものである。
【００２５】
ここで、被検体の表面に照射される光束が、当該被検体に対して様々な入射角度から入射可能とするには、被検体の表面に照射される光束として平行光束を用いずに、集光した光束を被検体の表面に照射するようにすればよいものである。即ち、集光した光束を被検体の表面に照射した場合には、当該照射した光束の反射光の全てがＣＣＤなどの検出手段で検出可能な領域に入らなくても、当該反射光の一部でもＣＣＤなどの検出手段で検出可能な領域に入る可能性が極めて高くなる。
【００２６】
ところで、被検体の表面に光束を集光すると、光束を集光された領域（集光点）以外、即ち、被検体の表面における光束が集光された領域たる集光点の周辺は暗くなってしまうので、これを防ぐためには、図４に示すように被検体の表面に光束を集光された領域を沢山形成すればよい。即ち、本発明においては、被検体の表面に照射される光束を集光することによって、例えば、結像レンズなどの結像光学系を介してＣＣＤなどの検知手段まで到達する反射光が得られるようにするとともに、被検体の表面に照射する光束を集光することで視野が暗くなることを防ぐため、被検体の表面に沢山の集光点を形成するようにしたものである。
【００２７】
ここで、本発明においては、被検体の表面に沢山の集光点を形成可能な集光光束を生成するために、複数の光束を出射する光源を用いており、例えば、光源の構成要素として、入射された光束を複数の光束に変換して出射する変換手段たるマイクロレンズアレイを配置するようにしている。
【００２８】
ここで、マイクロレンズアレイとは、精密エッチングなどにより、例えば、λ／１００級の精度（λ：入射される光の波長）で形成された複数の微小なレンズを、任意の個数だけ整列配置して一体化したものである。
【００２９】
なお、マイクロレンズアレイの製造にあたっては、個々のレンズの形状や、個々のレンズを整列配置して一体化する際の全体の形状や配列の自由度が高いことが知られている。
【００３０】
例えば、マイクロレンズアレイを構成する個々のレンズのレンズ径は、例えば、５μｍ〜１０００μｍとすることができ、レンズの高さは、例えば、０．１μｍ〜５０μｍとすることができ、レンズの配列精度は、例えば、±０．３μｍとすることができ、レンズ形状は、例えば、球面や非球面や非軸対象など種々の形状に構成することができる。
【００３１】
また、マイクロレンズアレイを形成する材料としては、光学ガラスや石英ガラスなどを適宜選択することができる。
【００３２】
こうしたマイクロレンズアレイは、他の光デバイスと１対１に対応した微小光学素子として形成可能である。従って、本発明による干渉計においては、ＣＣＤの各画素（ピクセル）とマイクロレンズアレイを構成する各レンズとを、それぞれ１対１の関係で対応付けることができる。
【００３３】
また、上記目的を達成するために、本発明による形状測定装置は、干渉縞を発生する際に上記した本発明による干渉計を用いるようにしたものである。
【００３４】
ここで、本発明のうち請求項１に記載の発明は、光源から出射された光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る光束に分割し、上記２つの光路のうちの一方の光路を通る光束を参照面に照射して反射させるとともに、上記２つの光路のうちの他方の光路を通る光束を被検体の表面に照射して反射させ、上記参照面からの反射光と上記被検体の表面からの反射光とを上記ビームスプリッターにより重ね合わせ、上記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出する干渉計において、複数の光束を出射する光源と、上記光源から出射された複数の光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る複数の光束に分割し、上記２つの光路のうちの一方の光路を通る複数の光束を参照面に照射して反射させるとともに、上記２つの光路のうちの他方の光路を通る複数の光束を被検体の表面に集光して反射させる第１の光学系と、上記参照面からの反射光と上記被検体の表面からの反射光とを上記ビームスプリッターにより重ね合わせ、上記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出させる第２の光学系とを有し、上記光源と上記被検体の表面および上記参照面が共役であるようにしたものである。
【００３５】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記光源は、入射された光束を複数の光束に変換して出射する変換手段を有するようにしたものである。
【００３６】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の発明において、上記検出手段は、二次元アレイ検出器であり、上記被検体の表面に集光される光束数と上記二次元アレイ検出器の画素数とが略一致するようにしたものである。
【００３７】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の発明において、上記第１の光学系と上記第２の光学系とは、少なくとも上記被検体側においてテレセントリック光学系であるようにしたものである。
【００３８】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、光源から出射された光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る光束に分割し、上記２つの光路のうちの一方の光路を通る光束を参照面に照射して反射させるとともに、上記２つの光路のうちの他方の光路を通る光束を被検体の表面に照射して反射させ、上記参照面からの反射光と上記被検体の表面からの反射光とを上記ビームスプリッターにより重ね合わせ、上記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出する干渉計と、上記干渉計の上記検出手段によって検出された干渉縞を解析して、上記被検体の表面形状を取得する処理手段とを有する形状測定装置において、上記干渉計は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４のいずれか１項に記載の発明による干渉計により構成するようにしたものである。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による干渉計および形状測定装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。なお、本明細書における説明ならびに添付の図面において、それぞれ同一あるいは相当する構成や内容については、それぞれ同一の符号を用いて示すことにより、その構成ならびに作用に関する重複する説明は省略する。
【００４０】
図５には、本発明の一実施例による干渉計を備えた本発明の一実施例による形状測定装置の基本構成を示す概念構成図が表されている。
【００４１】
ここで、図５に示す本発明による形状測定装置と図１に示す従来の形状測定装置とを比較すると、両者は形状測定装置を構成する干渉計の光源ならびに本体部の光学系において異なっている。
【００４２】
即ち、図５に示す本発明による形状測定装置における本発明による干渉計１００は、波長可変レーザー１２と、光学系機器群１４と、光ファイバー１６と、光ファイバー１６により導光された光束を入射して平行光束にするコリメーターレンズ１０２と、コリメーターレンズ１０２から出射された平行光束が入射されるマイクロレンズアレイ（Ｍｉｃｒｏ Ｌｅｎｓ Ａｒｒａｙ）１０４とを有して構成される光源部を備えている。このマイクロレンズアレイ１０４は、コリメーターレンズ１０２を介して入射された光束を複数の光束、即ち、マイクロレンズアレイ１０４を構成する個々のレンズの数に対応した数の光束に変換して出射する。
【００４３】
また、本体部１００ａは、マイクロレンズアレイ１０４を構成する個々のレンズ１０４ａによりそれぞれ集光されて出射される複数の光束が入射されるレンズ１０６ａ、１０６ｂなどから構成されるテレセントリック光学系１０６と、テレセントリック光学系１０６から出射された複数の光束を２つの光路に分割するとともに２つの光路から入射された被検体３８および参照面ミラー４２からの反射光を合成して重ね合わせるビームスプリッター３６と、３次元形状の被検体３８を載置するとともに図示しないモーターなどにより駆動されて図５において矢印で示す移動方向や紙面の垂直方向などの任意の方向に移動可能な移動ステージ４０と、基準となる参照光を形成するための反射面を構成する参照面ミラー４２と、ビームスプリッター３６で合成された被検体３８および参照面ミラー４２からの反射光を検出手段たるマルチポートＣＣＤカメラ４８のＣＣＤで検出して結像するための結像レンズ１０８と、結像レンズ１０８を介して反射光を結像させてビームスプリッター３６による反射光の合成による重ね合わせで生成された干渉縞を撮像するマルチポートＣＣＤカメラ４８とを有するマイケルソン型干渉計として構成されている。
【００４４】
なお、干渉計１００において、光源部から出射された複数の光束が被検体３８ならびに参照面ミラー４２へ至る光路の第１の光学系を照明側光学系と称し、被検体３８ならびに参照面ミラー４２からの反射光がマルチポートＣＣＤカメラ４８へ至る光路の第２の光学系を結像側光学系と称する。
【００４５】
そして、照明側光学系は、光源部から出射された複数の光束が被検体３８の表面にそれぞれ集光されて、被検体３８の表面に複数の集光点が形成されるように構成されている。
【００４６】
以上の構成において、波長可変レーザー１２から出射されたレーザー光は、光学系機器群１４および光ファイバー１６を介して、コリメーターレンズ１０２へ入射されて平行光束にされ、当該平行光束はマイクロレンズアレイ１０４に入射される。
【００４７】
マイクロレンズアレイ１０４に入射された平行光束は、マイクロレンズアレイ１０４を構成する各レンズ１０４ａにより集光されて、当該各レンズ１０４ａの個数に応じた複数の集光点をもつ複数の光束としてテレセントリック光学系１０６に入射され、テレセントリック光学系１０６を介してビームスプリッター３６に入射される。
【００４８】
ビームスプリッター３６は、入射された複数の光束のそれぞれについてその一部（例えば、５０％。）を透過するとともにその残部（例えば、５０％。）を反射して、入射された複数の光束のそれぞれを２つの光路に分割する。
【００４９】
そして、ビームスプリッター３６を透過した一方の光路の複数の光束は、照明側光学系により被検体３８の表面に集光され、被検体３８の表面により反射されて反射光となってビームスプリッター３６へ戻る。一方、ビームスプリッター３６により反射された他方の光路の複数の光束は、参照面ミラー４２の表面で反射されて反射光となってビームスプリッター３６へ戻る。このようにして、ビームスプリッター３６へ戻ったこれらの２つの光路の反射光は、ビームスプリッター３６で合成される。
【００５０】
このとき、被検体３８と参照面ミラー４２上では、光ファイバー１６の出射端の像（マイクロレンズアレイ１０４によって作成された複数の光源像）が形成されている。即ち、光ファイバー１６の出射端とマイクロレンズアレイ１０４の結像点、被検体３８、参照面ミラー４２は互いに共役関係にある。
【００５１】
上記のようにして、ビームスプリッター３６において２つの光路の反射光が合成されて重ね合わせられることにより、これら２つの反射光の光路差により干渉縞が発生し、発生した干渉縞がマルチポートＣＣＤカメラ４８のＣＣＤにより検出されて撮像される。
【００５２】
マルチポートＣＣＤカメラ４８により撮像された干渉縞は、コンピュータ１０により解析されて、被検体３８の表面における２次元平面の凹凸状態、即ち、３次元形状の被検体３８の表面形状が取得される。
【００５３】
従って、図５に示す本発明による形状測定装置によれば、被検体３８の表面に複数の集光点を形成するようにして、複数の集光された光束、即ち、マイクロレンズアレイ１０４を構成する各レンズ１０４ａの個数に応じた本数の光束であって照明側光学系により集光された光束が、被検体３８の表面に照射されることになる。このため、マルチポートＣＣＤカメラ４８で干渉縞を検出可能な被検体３８における傾斜面の傾斜角度の許容範囲が広くなるとともに、マルチポートＣＣＤカメラ４８のＣＣＤの検出領域を狭めることがない。
【００５４】
なお、図５に示す本発明による形状測定装置においては、換言すれば、高精度のマイクロレンズアレイ１０４を使って、多数の光源としての点光源列を作ることになるものであって、これら点光源列が被検体３８の表面上における測定点となるものであり、当該測定点の個数とマルチポートＣＣＤカメラ４８の画素の数とは対応するようにして設定されている。
【００５５】
ところで、図５に示す本発明による形状測定装置の干渉計１００は波長走査干渉計であるので、マイクロレンズアレイ１０４の色収差を補正することが好ましい。こうした色収差の補正の手法としては、例えば、マイクロレンズアレイ１０４の色収差とは逆の色収差を持つように、マイクロレンズアレイ１０４から出射された複数の光束が入射されるテレセントリック光学系１０６を構成して、マイクロレンズアレイ１０４の色収差を打ち消したり、あるいは、マイクロレンズアレイ１０４を光軸方向に移動可能に構成し、波長走査と合わせて当該波長走査に連動するようにマイクロレンズアレイ１０４を光軸方向に動かすことにより、マイクロレンズアレイ１０４の色収差を打ち消すようにしてもよい。
【００５６】
次に、図６乃至図８を参照しながら、図５に示す本発明による干渉計１００の具体的な装置構成の一例を示す干渉計２００について説明する。なお、図６は干渉計２００の全体装置構成を示し、図７は干渉計２００の照明側光学系の概念構成を示し、図８は干渉計２００の結像側光学系の概念構成を示し、図９は干渉計２００の照明側光学系の詳細構成を示し、図１０は干渉計２００の結像側光学系の詳細構成を示している。
【００５７】
この図６に示す干渉計２００は、光ファイバー１６からコリメーターレンズ１０２に入射された光束が、λ／４板２０２を介してマイクロレンズアレイ１０４へ入射されるように構成されている。
【００５８】
また、被検体３８を支持する移動ステージ４０はヘリカルステージ２０４とＸＹＺステージ２０６とゴニオステージ２０８とより構成されており、参照面ミラー４２は参照面ミラーホルダー２１０により支持されている。
【００５９】
一方、マルチポートＣＣＤカメラ４８は、ＸＹＺステージ２１２とθステージ２１４とより移動自在に支持されている。
【００６０】
次に、図７を参照しながら、干渉計２００の照明側光学系の概念構成を説明すると、干渉計２００の照明側光学系は、フィールドレンズ２２０と、光量絞り２２２と、結像レンズ２２４とを有して構成されている。そして、フィールドレンズ２２０と結像レンズ２２４とによって、テレセントリック光学系１０６が構成されることになる。
【００６１】
なお、適宜に光量絞り２２２の径を制御することによって、照明側開口数（照明側ＮＡ）を可変することが可能になる。
【００６２】
ここで、照明側ＮＡとは、照明側光学系により被検体３８の表面に照射される集光光線束の開口数を意味する。
【００６３】
本発明による干渉計で測定可能な基準面ＲＦに対する傾斜角度をσとし（図３（ｂ）参照）、結像側光学系の開口数を結像側ＮＡとすると、本発明による干渉計で測定可能な基準面に対する傾斜角度σは、
σ＝（ｓｉｎ−１（照明側ＮＡ）＋ｓｉｎ−１（結像側ＮＡ））／２
ここで ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθ （空気中ではｎ＝１）
で与えられる。
【００６４】
次に、図８を参照しながら、干渉計２００の結像側光学系の概念構成を説明すると、干渉計２００の結像側光学系は、被検体３８の表面および参照面ミラー４２の表面からの反射光を入射されるフィールドレンズ２２６と、光量絞り２２８と、結像レンズ２３０とを有して構成されている。そして、フィールドレンズ２２６と結像レンズ２３０とによって、被検体３８側においてテレセントリック光学系が構成されることになる。
【００６５】
なお、適宜に光量絞り２２８を制御することによって、結像側ＮＡを可変することが可能になる。
【００６６】
この結像側ＮＡの調整によって、マルチポートＣＣＤカメラにおいて検出する干渉縞の明るさと被写界深度を変化させることができる。
【００６７】
また、図９には、干渉計２００の照明側光学系の詳細な構成説明図が示されおり、テレセントリック光学系１０６を構成するフィールドレンズ２２０と結像レンズ２２４とは、系の色収差、単色収差を補正するためにそれぞれ複数のレンズを適宜に組み合わせて構成されている。
【００６８】
なお、符号３００は、ビームスプリッター３６と被検体３８の表面との間に配設された補償ガラスを表しているが、図１０に示すようにビームスプリッター３６と参照面ミラー４２との間に光量調整のためのＮＤフィルター３０２を配設する場合には、こうしたガラス３００をビームスプリッター３６と被検体３８の表面との間に配設して、互いの光路長を合わせることになる。
【００６９】
また、図１０には、干渉計２００の結像側光学系の詳細な構成説明図が示されおり、ビームスプリッター３６と参照面ミラー４２との間にＮＤフィルター３０２が配設されるとともに、テレセントリック光学系を構成するフィールドレンズ２２６と結像レンズ２３０とは、それぞれ複数のレンズを適宜に組み合わせて構成されている。
【００７０】
次に、図１１には、本願発明者による実験に用いた従来の干渉計と図６に示す本発明による干渉計との光学スペックの比較が示されている。そして、それぞれ図１１に示す光学スペックを備えた干渉計を用いて、アルミニウムにより形成した球面の表面形状を測定した測定結果が、図１２（ａ）（ｂ）に示されている。
【００７１】
また、波長可変レーザー１２の波長走査範囲は、７３０ｎｍ〜９３０ｎｍとした。
【００７２】
マイクロレンズアレイ１０４については、四角形状の底辺の一辺が１４μｍであるレンズを縦５００個×横５００個で２５００００個配設したものを用いた。また、マルチポートＣＣＤカメラ４８のＣＣＤの画素数は、マイクロレンズアレイ１０４のレンズの数と一致するものとした。
【００７３】
本発明による干渉計で測定可能な基準面に対する傾斜角度σは、図１１に示す光学スペック比較より、照明側ＮＡが０．１５１であり、結像側ＮＡが０．０６７であるので
となり、これより本発明による干渉計で測定可能な基準面に対する傾斜角度は６．２６度となる。
【００７４】
また、本発明による干渉計のサンプリングピッチ（＝ＣＣＤの１ピクセル÷倍率）は、１０μｍであり、サンプリング定理に基づく面内分解能は２０μｍである。
【００７５】
図１２（ａ）は図６に示す本発明による干渉計を用いた測定結果であり、図１２（ｂ）は従来の干渉計を用いた測定結果である。両者を比較すれば明らかなように、図６に示す本発明による干渉計を用いた場合には、データの欠落が無く略半球体の表面形状を正確に測定可能であるが、従来の干渉計を用いた場合には、急な傾斜面ではデータの欠落が多くなって略半球体の表面形状を正確に測定することができない。
【００７６】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に説明するように変形することができる。
【００７７】
（１）上記した実施の形態においては、多数の光源を得る変換手段として複数のレンズを一体化したマイクロレンズアレイを用いたが、変換手段はこれに限られるものではないことは勿論であり、例えば、独立に構成された複数のレンズなどを用いたり、あるいはピンホールアレイを用いたり、さらにはファイバーバンドルなどを変換手段として用いるようにしてもよい。
【００７８】
（２）上記した実施の形態においては、検出手段として二次元アレイ検出器であるＣＣＤを用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、ＣＭＯＳ、ＩｎＧａＡｓ検出器、ＩｎＳｂ検出器、ＨｇＣｄＴｅ検出器（ＭＣＴ）、２次元フォトマルチプライヤなどを用いるようにしてもよい。
【００７９】
（３）上記した実施の形態においては、ＣＣＤの画素数とマイクロレンズアレイのレンズの数とを一致させるようにしてが、これに限られるものではないことは勿論であり、ＣＣＤの画素数とマイクロレンズアレイのレンズの数とが相違していてもよく、例えば、マイクロレンズアレイのレンズの数の方がＣＣＤの画素数よりも少なくてもよい。
【００８０】
（４）上記した実施の形態においては、詳細な説明は省略したが、ビームスプリッターとしては、偏光のものと無偏光のものとを適宜に選択して用いることができる。なお、図６に示した干渉計２００においては、偏光による測定角度および精度依存を考慮して、光ファイバーから導入される光をλ／４板２０２を用いて円偏光にモジュレートし、ビームスプリッター３６としては無偏光のものを用いた。
【００８１】
（５）上記した実施の形態においては、照明側光学系と結像側光学系とをテレセントリック光学系として構成したが、これに限られるものではないことは勿論であり、いずれか一方のみテレセントリック光学系としてもよく、また、両方ともテレセントリック光学系としなくてもよい。なお、照明側光学系あるいは結像側光学系をテレセントリック光学系としない場合には、視野端での検出照度が低下するなどの性能劣化が生じるが、構成レンズ枚数を減らすことができるなどのメリットがある。
【００８２】
さらに、被写体の基準面が回転軸対象面のように平面からずれている場合は、主光線と被検体の基準面の法線と平行にすることで、視野全体に対して均等に照度を保つことができる。
【００８３】
（６）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００８４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、被写界深度を深くとることができるとともに、被検体の表面が傾斜面である場合でも干渉縞をＣＣＤなどの検出手段で検出することができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】干渉計としてマイケルソン型干渉計を用いた公知の波長走査干渉計を備えた従来の形状測定装置の基本構成を示す概念構成説明図である。
【図２】焦点深度（被写界深度）と開口数との関係を示す説明図である。
【図３】（ａ）は被検体の表面が平行光線の光路に対して基準面ＲＦ（平行光線は、基準面ＲＦに対して垂直に入射する。）から所定の傾斜角度以上傾斜した傾斜面である場合における、当該傾斜面により反射された反射光の光路の説明図であり、（ｂ）は本発明による干渉計を説明するための説明図である。
【図４】本発明による干渉計を説明するための説明図である。
【図５】本発明の一実施例による干渉計を備えた本発明の一実施例による形状測定装置の基本構成を示す概念構成図である。
【図６】本発明による干渉計の具体的な装置構成の一例を示す全体装置構成説明図である。
【図７】本発明による干渉計の照明側光学系の概念構成を示す構成説明図である。
【図８】本発明による干渉計の結像側光学系の概念構成を示す構成説明図である。
【図９】本発明による干渉計の照明側光学系の詳細構成を示す構成説明図である。
【図１０】本発明による干渉計の結像側光学系の詳細構成を示す構成説明図である。
【図１１】本願発明者による実験に用いた従来の干渉計と本発明による干渉計との光学スペックの比較を示す図表である。
【図１２】本願発明者の実験による実験結果を示し、（ａ）は本発明による干渉計を用いた測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は従来の干渉計を用いた測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ コンピュータ
１２ 波長可変レーザー（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ）
１４ 光学系機器群
１４ａ、１４ｂ 全反射ミラー
１６ 光ファイバー
１８、１００、２００ 干渉計
１８ａ、１００ａ 本体部
２０ 信号生成器（Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）
３０ ハーフミラー
３２ コリメーターレンズ
３４ 結像レンズ
３６ ビームスプリッター３６
３８ 被検体
４０ 移動ステージ
４２ 参照面ミラー
４４ 光量絞り
４４ａ 開口部
４６ 偏光フィルター
４８ マルチポートＣＣＤカメラ（Ｄｉｇｉｔａｌ ＭＣＣＤ）
１０２ コリメーターレンズ
１０４ マイクロレンズアレイ（Ｍｉｃｒｏ Ｌｅｎｓ Ａｒｒａｙ）
１０４ａ レンズ
１０６ テレセントリック光学系
１０６ａ、１０６ｂ レンズ
１０８ 結像レンズ
２０２ λ／４板
２０４ ヘリカルステージ
２０６、２１２ ＸＹＺステージ
２０８ ゴニオステージ
２１０ 参照面ミラーホルダー
２１４ θステージ
２２０ フィールドレンズ
２２２ 光量絞り
２２４ 結像レンズ
２２６ フィールドレンズ
２２８ 光量絞り
２３０ 結像レンズ
３００ ガラス
３０２ ＮＤフィルター
ＲＦ 基準面
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計および形状測定装置に関し、さらに詳細には、非接触かつ非破壊で測定対象物たる被検体の表面における２次元平面の凹凸状態、即ち、３次元形状を備えた被検体の表面形状を精密に測定する際に用いて好適な干渉計および形状測定装置に関する。
【０００２】
【発明の背景ならびに従来の技術】
従来より、光源から出射された光束を２つの光路を通る光束に分割し、これら２つの光路のうちの一方の光路を通る光束を参照面に照射して反射させるとともに、これら２つの光路のうちの他方の光路を通る光束を被検体の表面に照射して反射させ、参照面からの反射光と被検体の表面からの反射光とを重ね合わせ、これら２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して観察することができるようにした干渉計が知られている。
【０００３】
また、上記したような干渉計を備えていて、当該干渉計により観察された干渉縞を解析して、非接触かつ非破壊で被検体の表面における２次元平面の凹凸状態、即ち、３次元形状を備えた被検体の表面形状を精密に測定することのできる形状測定装置も知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１８５５２９号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００３−１０１１１１号公報
ここで、図１には、干渉計としてマイケルソン型干渉計を用いた公知の波長走査干渉計を備えた従来の形状測定装置の基本構成を示す概念構成説明図が表されている。
【０００６】
なお、波長走査干渉計は、物体の表面の各点に対して高さの絶対値を求めることができるので、任意形状の物体の表面形状を測定する際に用いるのに適している。
【０００７】
この図１に示す波長走査干渉計は、システム全体の制御を行うとともに後述する検出手段としてＣＣＤを備えたマルチポートＣＣＤカメラ（Ｄｉｇｉｔａｌ ＭＣＣＤ）４８が検出して撮像した干渉縞を解析して被検体３８の表面における２次元平面の凹凸状態、即ち、３次元形状の被検体３８の表面形状を取得するための処理（なお、干渉縞を解析して３次元形状の被検体の表面形状を取得するための処理は公知の技術を適用することができるので、その詳細な説明は省略する。）を行う手段たるコンピュータ１０と、干渉計１８と、コンピュータ１０の制御に基づいて波長可変レーザー１２（後述する。）ならびにマルチポートＣＣＤカメラ４８を制御するための制御信号を出力する信号生成器（Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）２０とを有して構成されている。
【０００８】
ここで、干渉計１８は、光源部と本体部１８ａとを有してなり、光源部は、発振波長を連続的に変化させることのできる波長可変レーザー（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ（波長可変レーザーとしては、例えば、ＹＡＧレーザーなどから出射される励起光により励起されるとともに、光音響素子を用いた波長選択素子（ＡＯＴＦ：ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｔｕｎａｂｌｅ ｆｉｌｔｅｒ）を用いて電子制御により波長選択を行うチタンサファイアレーザーなどを用いることができる。））１２と、波長可変レーザー１２から出射されたレーザー光を導光する全反射ミラー１４ａ、１４ｂなどから構成される光学系機器群１４と、光学系機器群１４から出射された光束を導光する光ファイバー１６とを有して構成されている。そして、光源部の光ファイバー１６から出射された光束は、本体部１８ａに入射される。
【０００９】
本体部１８ａは、光源部の光ファイバー１６から入射された光束の一部（例えば、５０％。）を透過するとともに残部（例えば、５０％。）を反射するハーフミラー３０と、ハーフミラー３０により反射された光束を平行にするコリメーターレンズ３２と、後述するようにビームスプリッター３６で合成された反射光をマルチポートＣＣＤカメラ４８に結像するための結像レンズ３４と、後述するように入射された光束を２つの光路に分割するとともに２つの光路から入射された反射光を合成して重ね合わせるビームスプリッター３６と、３次元形状の被検体３８を載置するとともに図示しないモーターなどにより駆動されて図１において矢印で示す移動方向や紙面の垂直方向などの任意の方向に移動可能な移動ステージ４０と、基準となる参照光を形成するための反射面を構成する参照面ミラー４２と、開口部４４ａを備えていてビームスプリッター３６で合成された反射光の光量を調節する光量絞り４４と、光量絞り４４を透過した反射光の偏光を制御し干渉縞を生じさせる偏光フィルター４６と、偏光フィルター４６を透過した反射光をＣＣＤに結像させて検出することによりビームスプリッター３６による反射光の合成による重ね合わせで生成された干渉縞を検出して撮像するマルチポートＣＣＤカメラ４８とを有するマイケルソン型干渉計として構成されている。
【００１０】
以上の構成において、干渉計１８においては、波長可変レーザー１２から出射されたレーザー光は、光学系機器群１４および光ファイバー１６を介してハーフミラー３０へ入射される。即ち、光源からハーフミラー３０へ光束が入射されると、ハーフミラー３０は、入射された光束の一部を透過し、その残部を反射する。
【００１１】
ハーフミラー３０によって反射された光束は、コリメーターレンズ３２に入射されて平行にされた後に、ビームスプリッター３６に入射される。
【００１２】
ビームスプリッター３６は、入射された平行光束の一部（例えば、５０％。）を透過するとともにその残部（例えば、５０％。）を反射して、入射された平行光束を２つの光路に分割する。そして、ビームスプリッター３６を透過した一方の光路の平行光束は被検体３８の表面で反射されて反射光となってビームスプリッター３６へ戻り、ビームスプリッター３６により反射された他方の光路の平行光束は参照面ミラー４２の表面で反射されて反射光となってビームスプリッター３６へ戻り、これら２つの光路の反射光がビームスプリッター３６で合成されて重ね合わされる。
【００１３】
上記のようにして、ビームスプリッター３６において２つの光路の反射光が合成されて重ね合わせられることにより、これら２つの反射光の光路差により干渉縞が発生し、発生した干渉縞がマルチポートＣＣＤカメラ２０のＣＣＤにより検出されて撮像される。即ち、ビームスプリッター３６において重ね合わせられた光束は、ハーフミラー３０を透過して、光量絞り４４および偏光フィルター４６を介してマルチポートＣＣＤカメラ２０に入射して、マルチポートＣＣＤカメラ２０を構成するＣＣＤにより検出されて結像され、マルチポートＣＣＤカメラ２０により撮像される。
【００１４】
マルチポートＣＣＤカメラ２０により撮像された干渉縞は、コンピュータ１０により解析されて、被検体３８の表面における２次元平面の凹凸状態、即ち、３次元形状の被検体３８の表面形状が取得される。
【００１５】
ところで、上記した従来の干渉計においては、一般に、検出器側から見た被写界深度を深くして焦点合わせを容易にするために、結像レンズ３４などの結像側光学系の開口角を小さくして開口数を小さくする必要がある（図２参照）。
【００１６】
従って、例えば、図３（ａ）に示すように、被検体３８の表面が、ビームスプリッター３６を透過した一方の光路の平行光束の光路に対して、基準面ＲＦ（平行光束は、基準面ＲＦに対して垂直に入射する。）から傾斜した傾斜面である場合（図３（ａ）において傾斜面が破線である場合。）には、当該傾斜面からの反射光が結像レンズ３４の開口角内、即ち、結像レンズ３４の開口数によって決定される領域（図３（ａ）において斜線で示す領域）内に入らなくなり、干渉縞をマルチポートＣＣＤカメラ２０のＣＣＤで検出して結像することができなくなるという問題点があった。
【００１７】
即ち、被検体３８の表面に照射される光束が平行光束であるため、被検体３８の表面が傾斜面である場合には、当該傾斜面により反射される反射光をマルチポートＣＣＤカメラ２０で撮像することができず、干渉縞を検出不能になるという問題点があった。
【００１８】
なお、散乱光を被検体３８の表面に照射した際の反射光を用いて干渉縞を検出することも考えられるが、一般にその光量は非常に低く、検出が困難であるということが指摘されている。
【００１９】
一方、散乱光強度を高めるために、被検体表面に散乱剤を塗布する方法も公知であるが、当該方法では、非接触測定の長所を生かすることができないものであった。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような発明の背景ならびに従来の技術の有する問題点や従来の技術に対する要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、被写界深度を深くとることができるとともに、被検体の表面が傾斜面である場合でも干渉縞をＣＣＤなどの検出手段で検出することができるようにした干渉計および形状測定装置を提供しようとするものである。
【００２１】
即ち、本発明は、被検体の表面が曲率を持つ面などのように基準面に対して傾斜した傾斜面であっても、干渉縞をＣＣＤなどの検出手段で検出することができるようにした干渉計および形状測定装置を提供しようとするものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による干渉計は、被検体の表面が基準面ＲＦに対して傾いた傾斜面であっても、被検体の表面の傾斜面に照射される光束が、図３（ｂ）に示すように当該傾斜面に対して様々角度から入射されるような場合には、傾斜面からの反射光の一部でも結像光学系の開口角内に入るようになり、ＣＣＤなどの検出手段で干渉縞を検出可能な傾斜面の傾斜角度の許容範囲が広くなるという着想に基づいてなされたものである。
【００２３】
即ち、本願発明者は、被検体からの反射光が入射される結像側光学系の焦点深度たる被写界深度は、結像側光学系の開口数によって決定され、一方、ＣＣＤなどの検出手段で干渉縞を検出可能な被検体の表面における傾斜角度の許容範囲は、当該傾斜面に照射される光束の当該傾斜面に対する入射の角度によって決定されるという技術思想に基づいて、本発明をなしたものである。
【００２４】
つまり、本発明は、結像側光学系の開口数を小さくしたままで深い被写界深度を確保しつつ、その一方で、被検体の表面に照射される光束が当該被検体に対して様々な入射角度から入射可能として、当該被検体の表面の傾斜角度の許容範囲を広くするようにしたものである。
【００２５】
ここで、被検体の表面に照射される光束が、当該被検体に対して様々な入射角度から入射可能とするには、被検体の表面に照射される光束として平行光束を用いずに、集光した光束を被検体の表面に照射するようにすればよいものである。即ち、集光した光束を被検体の表面に照射した場合には、当該照射した光束の反射光の全てがＣＣＤなどの検出手段で検出可能な領域に入らなくても、当該反射光の一部でもＣＣＤなどの検出手段で検出可能な領域に入る可能性が極めて高くなる。
【００２６】
ところで、被検体の表面に光束を集光すると、光束を集光された領域（集光点）以外、即ち、被検体の表面における光束が集光された領域たる集光点の周辺は暗くなってしまうので、これを防ぐためには、図４に示すように被検体の表面に光束を集光された領域を沢山形成すればよい。即ち、本発明においては、被検体の表面に照射される光束を集光することによって、例えば、結像レンズなどの結像光学系を介してＣＣＤなどの検知手段まで到達する反射光が得られるようにするとともに、被検体の表面に照射する光束を集光することで視野が暗くなることを防ぐため、被検体の表面に沢山の集光点を形成するようにしたものである。
【００２７】
ここで、本発明においては、被検体の表面に沢山の集光点を形成可能な集光光束を生成するために、複数の光束を出射する光源を用いており、例えば、光源の構成要素として、入射された光束を複数の光束に変換して出射する変換手段たるマイクロレンズアレイを配置するようにしている。
【００２８】
ここで、マイクロレンズアレイとは、精密エッチングなどにより、例えば、λ／１００級の精度（λ：入射される光の波長）で形成された複数の微小なレンズを、任意の個数だけ整列配置して一体化したものである。
【００２９】
なお、マイクロレンズアレイの製造にあたっては、個々のレンズの形状や、個々のレンズを整列配置して一体化する際の全体の形状や配列の自由度が高いことが知られている。
【００３０】
例えば、マイクロレンズアレイを構成する個々のレンズのレンズ径は、例えば、５μｍ〜１０００μｍとすることができ、レンズの高さは、例えば、０．１μｍ〜５０μｍとすることができ、レンズの配列精度は、例えば、±０．３μｍとすることができ、レンズ形状は、例えば、球面や非球面や非軸対象など種々の形状に構成することができる。
【００３１】
また、マイクロレンズアレイを形成する材料としては、光学ガラスや石英ガラスなどを適宜選択することができる。
【００３２】
こうしたマイクロレンズアレイは、他の光デバイスと１対１に対応した微小光学素子として形成可能である。従って、本発明による干渉計においては、ＣＣＤの各画素（ピクセル）とマイクロレンズアレイを構成する各レンズとを、それぞれ１対１の関係で対応付けることができる。
【００３３】
また、上記目的を達成するために、本発明による形状測定装置は、干渉縞を発生する際に上記した本発明による干渉計を用いるようにしたものである。
【００３４】
ここで、本発明のうち請求項１に記載の発明は、光源から出射された光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る光束に分割し、上記２つの光路のうちの一方の光路を通る光束を参照面に照射して反射させるとともに、上記２つの光路のうちの他方の光路を通る光束を被検体の表面に照射して反射させ、上記参照面からの反射光と上記被検体の表面からの反射光とを上記ビームスプリッターにより重ね合わせ、上記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出する干渉計において、複数の光束を出射する光源と、上記光源から出射された複数の光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る複数の光束に分割し、上記２つの光路のうちの一方の光路を通る複数の光束を参照面に照射して反射させるとともに、上記２つの光路のうちの他方の光路を通る複数の光束を被検体の表面に集光して反射させる第１の光学系と、上記参照面からの反射光と上記被検体の表面からの反射光とを上記ビームスプリッターにより重ね合わせ、上記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出させる第２の光学系とを有し、上記光源と上記被検体の表面および上記参照面が共役であるようにしたものである。
【００３５】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記光源は、入射された光束を複数の光束に変換して出射する変換手段を有するようにしたものである。
【００３６】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の発明において、上記検出手段は、二次元アレイ検出器であり、上記被検体の表面に集光される光束数と上記二次元アレイ検出器の画素数とが略一致するようにしたものである。
【００３７】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の発明において、上記第１の光学系と上記第２の光学系とは、少なくとも上記被検体側においてテレセントリック光学系であるようにしたものである。
【００３８】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、光源から出射された光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る光束に分割し、上記２つの光路のうちの一方の光路を通る光束を参照面に照射して反射させるとともに、上記２つの光路のうちの他方の光路を通る光束を被検体の表面に照射して反射させ、上記参照面からの反射光と上記被検体の表面からの反射光とを上記ビームスプリッターにより重ね合わせ、上記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出する干渉計と、上記干渉計の上記検出手段によって検出された干渉縞を解析して、上記被検体の表面形状を取得する処理手段とを有する形状測定装置において、上記干渉計は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４のいずれか１項に記載の発明による干渉計により構成するようにしたものである。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による干渉計および形状測定装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。なお、本明細書における説明ならびに添付の図面において、それぞれ同一あるいは相当する構成や内容については、それぞれ同一の符号を用いて示すことにより、その構成ならびに作用に関する重複する説明は省略する。
【００４０】
図５には、本発明の一実施例による干渉計を備えた本発明の一実施例による形状測定装置の基本構成を示す概念構成図が表されている。
【００４１】
ここで、図５に示す本発明による形状測定装置と図１に示す従来の形状測定装置とを比較すると、両者は形状測定装置を構成する干渉計の光源ならびに本体部の光学系において異なっている。
【００４２】
即ち、図５に示す本発明による形状測定装置における本発明による干渉計１００は、波長可変レーザー１２と、光学系機器群１４と、光ファイバー１６と、光ファイバー１６により導光された光束を入射して平行光束にするコリメーターレンズ１０２と、コリメーターレンズ１０２から出射された平行光束が入射されるマイクロレンズアレイ（Ｍｉｃｒｏ Ｌｅｎｓ Ａｒｒａｙ）１０４とを有して構成される光源部を備えている。このマイクロレンズアレイ１０４は、コリメーターレンズ１０２を介して入射された光束を複数の光束、即ち、マイクロレンズアレイ１０４を構成する個々のレンズの数に対応した数の光束に変換して出射する。
【００４３】
また、本体部１００ａは、マイクロレンズアレイ１０４を構成する個々のレンズ１０４ａによりそれぞれ集光されて出射される複数の光束が入射されるレンズ１０６ａ、１０６ｂなどから構成されるテレセントリック光学系１０６と、テレセントリック光学系１０６から出射された複数の光束を２つの光路に分割するとともに２つの光路から入射された被検体３８および参照面ミラー４２からの反射光を合成して重ね合わせるビームスプリッター３６と、３次元形状の被検体３８を載置するとともに図示しないモーターなどにより駆動されて図５において矢印で示す移動方向や紙面の垂直方向などの任意の方向に移動可能な移動ステージ４０と、基準となる参照光を形成するための反射面を構成する参照面ミラー４２と、ビームスプリッター３６で合成された被検体３８および参照面ミラー４２からの反射光を検出手段たるマルチポートＣＣＤカメラ４８のＣＣＤで検出して結像するための結像レンズ１０８と、結像レンズ１０８を介して反射光を結像させてビームスプリッター３６による反射光の合成による重ね合わせで生成された干渉縞を撮像するマルチポートＣＣＤカメラ４８とを有するマイケルソン型干渉計として構成されている。
【００４４】
なお、干渉計１００において、光源部から出射された複数の光束が被検体３８ならびに参照面ミラー４２へ至る光路の第１の光学系を照明側光学系と称し、被検体３８ならびに参照面ミラー４２からの反射光がマルチポートＣＣＤカメラ４８へ至る光路の第２の光学系を結像側光学系と称する。
【００４５】
そして、照明側光学系は、光源部から出射された複数の光束が被検体３８の表面にそれぞれ集光されて、被検体３８の表面に複数の集光点が形成されるように構成されている。
【００４６】
以上の構成において、波長可変レーザー１２から出射されたレーザー光は、光学系機器群１４および光ファイバー１６を介して、コリメーターレンズ１０２へ入射されて平行光束にされ、当該平行光束はマイクロレンズアレイ１０４に入射される。
【００４７】
マイクロレンズアレイ１０４に入射された平行光束は、マイクロレンズアレイ１０４を構成する各レンズ１０４ａにより集光されて、当該各レンズ１０４ａの個数に応じた複数の集光点をもつ複数の光束としてテレセントリック光学系１０６に入射され、テレセントリック光学系１０６を介してビームスプリッター３６に入射される。
【００４８】
ビームスプリッター３６は、入射された複数の光束のそれぞれについてその一部（例えば、５０％。）を透過するとともにその残部（例えば、５０％。）を反射して、入射された複数の光束のそれぞれを２つの光路に分割する。
【００４９】
そして、ビームスプリッター３６を透過した一方の光路の複数の光束は、照明側光学系により被検体３８の表面に集光され、被検体３８の表面により反射されて反射光となってビームスプリッター３６へ戻る。一方、ビームスプリッター３６により反射された他方の光路の複数の光束は、参照面ミラー４２の表面で反射されて反射光となってビームスプリッター３６へ戻る。このようにして、ビームスプリッター３６へ戻ったこれらの２つの光路の反射光は、ビームスプリッター３６で合成される。
【００５０】
このとき、被検体３８と参照面ミラー４２上では、光ファイバー１６の出射端の像（マイクロレンズアレイ１０４によって作成された複数の光源像）が形成されている。即ち、光ファイバー１６の出射端とマイクロレンズアレイ１０４の結像点、被検体３８、参照面ミラー４２は互いに共役関係にある。
【００５１】
上記のようにして、ビームスプリッター３６において２つの光路の反射光が合成されて重ね合わせられることにより、これら２つの反射光の光路差により干渉縞が発生し、発生した干渉縞がマルチポートＣＣＤカメラ４８のＣＣＤにより検出されて撮像される。
【００５２】
マルチポートＣＣＤカメラ４８により撮像された干渉縞は、コンピュータ１０により解析されて、被検体３８の表面における２次元平面の凹凸状態、即ち、３次元形状の被検体３８の表面形状が取得される。
【００５３】
従って、図５に示す本発明による形状測定装置によれば、被検体３８の表面に複数の集光点を形成するようにして、複数の集光された光束、即ち、マイクロレンズアレイ１０４を構成する各レンズ１０４ａの個数に応じた本数の光束であって照明側光学系により集光された光束が、被検体３８の表面に照射されることになる。このため、マルチポートＣＣＤカメラ４８で干渉縞を検出可能な被検体３８における傾斜面の傾斜角度の許容範囲が広くなるとともに、マルチポートＣＣＤカメラ４８のＣＣＤの検出領域を狭めることがない。
【００５４】
なお、図５に示す本発明による形状測定装置においては、換言すれば、高精度のマイクロレンズアレイ１０４を使って、多数の光源としての点光源列を作ることになるものであって、これら点光源列が被検体３８の表面上における測定点となるものであり、当該測定点の個数とマルチポートＣＣＤカメラ４８の画素の数とは対応するようにして設定されている。
【００５５】
ところで、図５に示す本発明による形状測定装置の干渉計１００は波長走査干渉計であるので、マイクロレンズアレイ１０４の色収差を補正することが好ましい。こうした色収差の補正の手法としては、例えば、マイクロレンズアレイ１０４の色収差とは逆の色収差を持つように、マイクロレンズアレイ１０４から出射された複数の光束が入射されるテレセントリック光学系１０６を構成して、マイクロレンズアレイ１０４の色収差を打ち消したり、あるいは、マイクロレンズアレイ１０４を光軸方向に移動可能に構成し、波長走査と合わせて当該波長走査に連動するようにマイクロレンズアレイ１０４を光軸方向に動かすことにより、マイクロレンズアレイ１０４の色収差を打ち消すようにしてもよい。
【００５６】
次に、図６乃至図８を参照しながら、図５に示す本発明による干渉計１００の具体的な装置構成の一例を示す干渉計２００について説明する。なお、図６は干渉計２００の全体装置構成を示し、図７は干渉計２００の照明側光学系の概念構成を示し、図８は干渉計２００の結像側光学系の概念構成を示し、図９は干渉計２００の照明側光学系の詳細構成を示し、図１０は干渉計２００の結像側光学系の詳細構成を示している。
【００５７】
この図６に示す干渉計２００は、光ファイバー１６からコリメーターレンズ１０２に入射された光束が、λ／４板２０２を介してマイクロレンズアレイ１０４へ入射されるように構成されている。
【００５８】
また、被検体３８を支持する移動ステージ４０はヘリカルステージ２０４とＸＹＺステージ２０６とゴニオステージ２０８とより構成されており、参照面ミラー４２は参照面ミラーホルダー２１０により支持されている。
【００５９】
一方、マルチポートＣＣＤカメラ４８は、ＸＹＺステージ２１２とθステージ２１４とより移動自在に支持されている。
【００６０】
次に、図７を参照しながら、干渉計２００の照明側光学系の概念構成を説明すると、干渉計２００の照明側光学系は、フィールドレンズ２２０と、光量絞り２２２と、結像レンズ２２４とを有して構成されている。そして、フィールドレンズ２２０と結像レンズ２２４とによって、テレセントリック光学系１０６が構成されることになる。
【００６１】
なお、適宜に光量絞り２２２の径を制御することによって、照明側開口数（照明側ＮＡ）を可変することが可能になる。
【００６２】
ここで、照明側ＮＡとは、照明側光学系により被検体３８の表面に照射される集光光線束の開口数を意味する。
【００６３】
本発明による干渉計で測定可能な基準面ＲＦに対する傾斜角度をσとし（図３（ｂ）参照）、結像側光学系の開口数を結像側ＮＡとすると、本発明による干渉計で測定可能な基準面に対する傾斜角度σは、
σ＝（ｓｉｎ−１（照明側ＮＡ）＋ｓｉｎ−１（結像側ＮＡ））／２
ここで ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθ （空気中ではｎ＝１）
で与えられる。
【００６４】
次に、図８を参照しながら、干渉計２００の結像側光学系の概念構成を説明すると、干渉計２００の結像側光学系は、被検体３８の表面および参照面ミラー４２の表面からの反射光を入射されるフィールドレンズ２２６と、光量絞り２２８と、結像レンズ２３０とを有して構成されている。そして、フィールドレンズ２２６と結像レンズ２３０とによって、被検体３８側においてテレセントリック光学系が構成されることになる。
【００６５】
なお、適宜に光量絞り２２８を制御することによって、結像側ＮＡを可変することが可能になる。
【００６６】
この結像側ＮＡの調整によって、マルチポートＣＣＤカメラにおいて検出する干渉縞の明るさと被写界深度を変化させることができる。
【００６７】
また、図９には、干渉計２００の照明側光学系の詳細な構成説明図が示されおり、テレセントリック光学系１０６を構成するフィールドレンズ２２０と結像レンズ２２４とは、系の色収差、単色収差を補正するためにそれぞれ複数のレンズを適宜に組み合わせて構成されている。
【００６８】
なお、符号３００は、ビームスプリッター３６と被検体３８の表面との間に配設された補償ガラスを表しているが、図１０に示すようにビームスプリッター３６と参照面ミラー４２との間に光量調整のためのＮＤフィルター３０２を配設する場合には、こうしたガラス３００をビームスプリッター３６と被検体３８の表面との間に配設して、互いの光路長を合わせることになる。
【００６９】
また、図１０には、干渉計２００の結像側光学系の詳細な構成説明図が示されおり、ビームスプリッター３６と参照面ミラー４２との間にＮＤフィルター３０２が配設されるとともに、テレセントリック光学系を構成するフィールドレンズ２２６と結像レンズ２３０とは、それぞれ複数のレンズを適宜に組み合わせて構成されている。
【００７０】
次に、図１１には、本願発明者による実験に用いた従来の干渉計と図６に示す本発明による干渉計との光学スペックの比較が示されている。そして、それぞれ図１１に示す光学スペックを備えた干渉計を用いて、アルミニウムにより形成した球面の表面形状を測定した測定結果が、図１２（ａ）（ｂ）に示されている。
【００７１】
また、波長可変レーザー１２の波長走査範囲は、７３０ｎｍ〜９３０ｎｍとした。
【００７２】
マイクロレンズアレイ１０４については、四角形状の底辺の一辺が１４μｍであるレンズを縦５００個×横５００個で２５００００個配設したものを用いた。また、マルチポートＣＣＤカメラ４８のＣＣＤの画素数は、マイクロレンズアレイ１０４のレンズの数と一致するものとした。
【００７３】
本発明による干渉計で測定可能な基準面に対する傾斜角度σは、図１１に示す光学スペック比較より、照明側ＮＡが０．１５１であり、結像側ＮＡが０．０６７であるので
【００７４】
また、本発明による干渉計のサンプリングピッチ（＝ＣＣＤの１ピクセル÷倍率）は、１０μｍであり、サンプリング定理に基づく面内分解能は２０μｍである。
【００７５】
図１２（ａ）は図６に示す本発明による干渉計を用いた測定結果であり、図１２（ｂ）は従来の干渉計を用いた測定結果である。両者を比較すれば明らかなように、図６に示す本発明による干渉計を用いた場合には、データの欠落が無く略半球体の表面形状を正確に測定可能であるが、従来の干渉計を用いた場合には、急な傾斜面ではデータの欠落が多くなって略半球体の表面形状を正確に測定することができない。
【００７６】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に説明するように変形することができる。
【００７７】
（１）上記した実施の形態においては、多数の光源を得る変換手段として複数のレンズを一体化したマイクロレンズアレイを用いたが、変換手段はこれに限られるものではないことは勿論であり、例えば、独立に構成された複数のレンズなどを用いたり、あるいはピンホールアレイを用いたり、さらにはファイバーバンドルなどを変換手段として用いるようにしてもよい。
【００７８】
（２）上記した実施の形態においては、検出手段として二次元アレイ検出器であるＣＣＤを用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、ＣＭＯＳ、ＩｎＧａＡｓ検出器、ＩｎＳｂ検出器、ＨｇＣｄＴｅ検出器（ＭＣＴ）、２次元フォトマルチプライヤなどを用いるようにしてもよい。
【００７９】
（３）上記した実施の形態においては、ＣＣＤの画素数とマイクロレンズアレイのレンズの数とを一致させるようにしてが、これに限られるものではないことは勿論であり、ＣＣＤの画素数とマイクロレンズアレイのレンズの数とが相違していてもよく、例えば、マイクロレンズアレイのレンズの数の方がＣＣＤの画素数よりも少なくてもよい。
【００８０】
（４）上記した実施の形態においては、詳細な説明は省略したが、ビームスプリッターとしては、偏光のものと無偏光のものとを適宜に選択して用いることができる。なお、図６に示した干渉計２００においては、偏光による測定角度および精度依存を考慮して、光ファイバーから導入される光をλ／４板２０２を用いて円偏光にモジュレートし、ビームスプリッター３６としては無偏光のものを用いた。
【００８１】
（５）上記した実施の形態においては、照明側光学系と結像側光学系とをテレセントリック光学系として構成したが、これに限られるものではないことは勿論であり、いずれか一方のみテレセントリック光学系としてもよく、また、両方ともテレセントリック光学系としなくてもよい。なお、照明側光学系あるいは結像側光学系をテレセントリック光学系としない場合には、視野端での検出照度が低下するなどの性能劣化が生じるが、構成レンズ枚数を減らすことができるなどのメリットがある。
【００８２】
さらに、被写体の基準面が回転軸対象面のように平面からずれている場合は、主光線と被検体の基準面の法線と平行にすることで、視野全体に対して均等に照度を保つことができる。
【００８３】
（６）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００８４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、被写界深度を深くとることができるとともに、被検体の表面が傾斜面である場合でも干渉縞をＣＣＤなどの検出手段で検出することができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】干渉計としてマイケルソン型干渉計を用いた公知の波長走査干渉計を備えた従来の形状測定装置の基本構成を示す概念構成説明図である。
【図２】焦点深度（被写界深度）と開口数との関係を示す説明図である。
【図３】（ａ）は被検体の表面が平行光線の光路に対して基準面ＲＦ（平行光線は、基準面ＲＦに対して垂直に入射する。）から所定の傾斜角度以上傾斜した傾斜面である場合における、当該傾斜面により反射された反射光の光路の説明図であり、（ｂ）は本発明による干渉計を説明するための説明図である。
【図４】本発明による干渉計を説明するための説明図である。
【図５】本発明の一実施例による干渉計を備えた本発明の一実施例による形状測定装置の基本構成を示す概念構成図である。
【図６】本発明による干渉計の具体的な装置構成の一例を示す全体装置構成説明図である。
【図７】本発明による干渉計の照明側光学系の概念構成を示す構成説明図である。
【図８】本発明による干渉計の結像側光学系の概念構成を示す構成説明図である。
【図９】本発明による干渉計の照明側光学系の詳細構成を示す構成説明図である。
【図１０】本発明による干渉計の結像側光学系の詳細構成を示す構成説明図である。
【図１１】本願発明者による実験に用いた従来の干渉計と本発明による干渉計との光学スペックの比較を示す図表である。
【図１２】本願発明者の実験による実験結果を示し、（ａ）は本発明による干渉計を用いた測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は従来の干渉計を用いた測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ コンピュータ
１２ 波長可変レーザー（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ）
１４ 光学系機器群
１４ａ、１４ｂ 全反射ミラー
１６ 光ファイバー
１８、１００、２００ 干渉計
１８ａ、１００ａ 本体部
２０ 信号生成器（Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）
３０ ハーフミラー
３２ コリメーターレンズ
３４ 結像レンズ
３６ ビームスプリッター３６
３８ 被検体
４０ 移動ステージ
４２ 参照面ミラー
４４ 光量絞り
４４ａ 開口部
４６ 偏光フィルター
４８ マルチポートＣＣＤカメラ（Ｄｉｇｉｔａｌ ＭＣＣＤ）
１０２ コリメーターレンズ
１０４ マイクロレンズアレイ（Ｍｉｃｒｏ Ｌｅｎｓ Ａｒｒａｙ）
１０４ａ レンズ
１０６ テレセントリック光学系
１０６ａ、１０６ｂ レンズ
１０８ 結像レンズ
２０２ λ／４板
２０４ ヘリカルステージ
２０６、２１２ ＸＹＺステージ
２０８ ゴニオステージ
２１０ 参照面ミラーホルダー
２１４ θステージ
２２０ フィールドレンズ
２２２ 光量絞り
２２４ 結像レンズ
２２６ フィールドレンズ
２２８ 光量絞り
２３０ 結像レンズ
３００ ガラス
３０２ ＮＤフィルター
ＲＦ 基準面
Claims (5)
- 光源から出射された光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る光束に分割し、前記２つの光路のうちの一方の光路を通る光束を参照面に照射して反射させるとともに、前記２つの光路のうちの他方の光路を通る光束を被検体の表面に照射して反射させ、前記参照面からの反射光と前記被検体の表面からの反射光とを前記ビームスプリッターにより重ね合わせ、前記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出する干渉計において、
複数の光束を出射する光源と、
前記光源から出射された複数の光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る複数の光束に分割し、前記２つの光路のうちの一方の光路を通る複数の光束を参照面に照射して反射させるとともに、前記２つの光路のうちの他方の光路を通る複数の光束を被検体の表面に集光して反射させる第１の光学系と、
前記参照面からの反射光と前記被検体の表面からの反射光とを前記ビームスプリッターにより重ね合わせ、前記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出させる第２の光学系と
を有し、
前記光源と前記被検体の表面および前記参照面が共役である
ことを特徴とする干渉計。 - 請求項１に記載の干渉計において、
前記光源は、入射された光束を複数の光束に変換して出射する変換手段を有する
ことを特徴とする干渉計。 - 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の干渉計において、
前記検出手段は、二次元アレイ検出器であり、
前記被検体の表面に集光される光束数と前記二次元アレイ検出器の画素数とが略一致している
ことを特徴とする干渉計。 - 請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の干渉計において、
前記第１の光学系と前記第２の光学系とは、少なくとも前記被検体側においてテレセントリック光学系である
ことを特徴とする干渉計。 - 光源から出射された光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る光束に分割し、前記２つの光路のうちの一方の光路を通る光束を参照面に照射して反射させるとともに、前記２つの光路のうちの他方の光路を通る光束を被検体の表面に照射して反射させ、前記参照面からの反射光と前記被検体の表面からの反射光とを前記ビームスプリッターにより重ね合わせ、前記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出する干渉計と、
前記干渉計の前記検出手段によって検出された干渉縞を解析して、前記被検体の表面形状を取得する処理手段と
を有する形状測定装置において、
前記干渉計は、請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４のいずれか１項に記載の干渉計である
ことを特徴とする形状測定装置。
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