JP2008292240A - ３次元形状観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 干渉光学系以外の光学系における観察光学系によって、干渉光学系と干渉光学系以外の光学系におけるサンプルの高さ情報の取得範囲を設定でき、サンプルの３次元形状画像を短時間に容易に取得することができる３次元形状観察装置を提供する。
【解決手段】 フィルタ切換機構１９は、バンドパスフィルタ２１を光軸上に配置し、第１の撮像素子１６は、可視光による光学顕微鏡観察像を撮像し、制御本体部５１は、光学顕微鏡観察画像を用いてサンプル１７の観察位置の調整と、フォーカス位置の調整と、干渉光学系と光学顕微鏡光学系の両方の高さ情報の取得範囲（取得範囲Ｄ１，Ｄ２）を設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サンプルの３次元形状を観察する３次元形状観察装置に関する。

一般に微細なサンプルの３次元形状を非接触にて観察する際に、例えば共焦点レーザ走査型顕微鏡や干渉顕微鏡などを使用することが知られている。

例えば、特許文献１には、共焦点レーザ走査型顕微鏡によるサンプルの３次元形状（画像）の取得方法と観察方法が開示されている。この共焦点レーザ走査型顕微鏡において、レーザ光源から出射されたレーザ光は、対物レンズによってサンプル表面に集光する。次に共焦点レーザ走査型顕微鏡は、集光されたレーザ光をサンプルに対して平面方向に走査させ、サンプルから反射した反射レーザ光を受光する。その際、共焦点レーザ走査型顕微鏡は、対物レンズとサンプルとの相対距離を変えながら反射レーザ光を受光する。これにより共焦点レーザ走査型顕微鏡は、サンプルの表面情報を有する高精度な観察画像（全焦点画像）を取得する。さらに、共焦点レーザ走査型顕微鏡は、反射レーザ光の受光強度が最大になったときの対物レンズとサンプルとの相対距離情報（サンプルの高さ情報）と、上述した全焦点画像とを組み合わせる。これによりサンプルの表面情報と高さ情報を有する３次元形状画像を取得する。共焦点レーザ走査型顕微鏡は、この３次元形状画像からサンプルの形状を観察する。

一般的に、共焦点レーザ走査型顕微鏡は、レーザ光源から出射される光にレーザ光を使用することでサンプル表面における集光性を増加させている。また、共焦点レーザ走査型顕微鏡には、対物レンズによって集光されたレーザ光の集光位置と共役な位置にピンホールが配置され、共焦点レーザ走査型顕微鏡はピンホールを通過した反射レーザ光のみを受光する。これにより、共焦点レーザ走査型顕微鏡は、フレアが少なく、コントラストの高い高分解能な３次元形状画像を取得することができるという利点を有する。

しかし、共焦点レーザ走査型顕微鏡の分解能は、対物レンズのＮＡに依存するため、一般的にＮＡが小さい低倍率の対物レンズでは分解能が落ちる。したがって、より高精度な３次元形状画像を取得するためには、一般的にＮＡが大きい高倍率の対物レンズを使用する必要がある。しかし、高倍率の対物レンズでは、一般にサンプルの観察視野が狭くなるという欠点が生じる。

このように、共焦点レーザ走査型顕微鏡において、サンプルの表面情報及び高さ情報を有するサンプルの３次元形状画像を広範囲の領域に渡って高分解能に取得することは容易ではなく、また、広範囲の領域の観察も容易ではない。

また、例えば、特許文献２には、干渉顕微鏡によるサンプルの３次元形状の取得方法と観察方法が開示されている。干渉顕微鏡において、可干渉性が抑えられている低コヒーレントな照明光が出射され、例えば、ビームスプリッタ等によって分割される。分割した一方の光は対物レンズによってサンプル表面に集光し、分割した他方の光は参照ミラーなどに集光する。サンプル表面から反射した反射光と参照ミラーから反射した反射光は干渉し、干渉顕微鏡は、この干渉光から干渉像を取得する。干渉顕微鏡は、この干渉像を対物レンズとサンプルの相対距離を変えながら取得し、この干渉像の強度分布から高精度なサンプルの高さ情報を有する観察画像を形成する。干渉顕微鏡は、この画像からサンプルの形状を観察する。

一般的に、干渉顕微鏡は、ＮＡの小さい低倍率の対物レンズでも、高精度な高さ情報を取得することができるという利点を有する。

しかし、干渉顕微鏡によって取得される観察画像は、フレアがかかったコントラストの悪い画像になりやすい。また、干渉縞がサンプルの輝度画像に重畳されるため、サンプル表面の状態はわかりにくくなる。また、干渉顕微鏡における光源には、低コヒーレントな白色光を出射する例えば白色光源などが用いられる。対物レンズを出射した白色光のサンプル表面における集光性は、レーザ光の集光性に比べて高くはない。そのため、干渉顕微鏡と共焦点レーザ走査型顕微鏡で取得されるサンプルの表面情報を比較すると、干渉顕微鏡は観察画像の平面方向の分解能が劣るという欠点が生じる。つまり、干渉顕微鏡は、ダイナミックフォーカス的な処理による全焦点画像を構築しても表面情報を高精度に取得することが出来ない。

したがって、サンプルの３次元形状を広範囲かつ高精度に観察する場合、低い倍率の対物レンズを用いて観察視野を広くさせた状態で、高精度な（高分解能でコントラストの高い）表面情報を有する全焦点画像を取得することができる共焦点レーザ走査型顕微鏡と、高精度な高さ情報を取得することができる干渉顕微鏡を併用する必要がある。そのために、共焦点レーザ走査型顕微鏡と干渉顕微鏡の両方が使用可能となる３次元形状観察装置が望まれている。

図１２に、共焦点レーザ走査型顕微鏡の構成と干渉顕微鏡の構成を組み合わせた従来の３次元形状観察装置の構成を示す。

３次元形状観察装置１００は、サンプル１７を載置するステージ２００と、サンプル１７の上方に配置される干渉対物レンズ３００と、ステージ２００と干渉対物レンズ３００を有する顕微鏡本体４００と、駆動機構４０と、制御本体部５１とメモリ５２を有する制御部５００と、から構成されている。

顕微鏡本体４００は、干渉対物レンズ３００の上方に、共焦点レーザ走査型顕微鏡における共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａと、干渉顕微鏡における干渉光学系４００ｂを搭載している。共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａは、干渉光学系４００ｂとは異なる光学系である。共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａと、干渉光学系４００ｂは、サンプル１７に光を照射する。共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａと、干渉光学系４００ｂは、サンプル１７から反射した光を観察する観察光学系をそれぞれ有している。共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａにおける観察光学系（第２の観察光学系）は、例えばレーザ用受光素子１１であり、干渉光学系４００ｂにおける観察光学系（第１の観察光学系）は、例えば撮像素子１６である。また、これら観察光学系は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａと、干渉光学系４００ｂにて兼用される部材である例えば干渉対物レンズ３００を兼用する。

共焦点レーザ走査型顕微鏡における共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａについて説明する。この共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａには、直線偏光の特性を有するレーザ光２を出射するレーザ光源１と、レーザ光源１から出射されたレーザ光２を透過させ、また、後述するサンプル１７から反射したレーザ光２を反射する偏光ビームスプリッタ３と、回動することによって、偏光ビームスプリッタ３を透過したレーザ光２をサンプル１７の表面に対して２次元方向に走査する２次元走査機構４が順次配置されている。偏光ビームスプリッタ３は、レーザ光２が有する偏光特性に応じてレーザ光２を透過、または反射させる。２次元走査機構４は、例えば、レゾナントスキャナやガルバノスキャナなどであり、後述する対物レンズ３１の瞳と共役な位置に配置されている。

また、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａには、２次元走査機構４によって走査されるレーザ光２の光路上に瞳投影レンズ５と、第１の結像レンズ６と、１／４波長板７と、第１のビームスプリッタ８が順次配置されている。１／４波長板７は、２次元走査機構４によって走査され、瞳投影レンズ５と、第１の結像レンズ６を透過したレーザ光２の偏光方向を１／４波長分だけ変換する。これにより、レーザ光源１から出射されたレーザ光２は、円偏光に変換される。第１のビームスプリッタ８は、例えば、ダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーであり、レーザ光２を反射し、また、後述するサンプル１７から反射した白色光１３（干渉光）を透過させる。なお、第１のビームスプリッタ８の反射透過率特性については後述する。

第１のビームスプリッタ８の反射光路上には、後述する干渉光学系４００ｂに配置されている第２のビームスプリッタ１４と、干渉対物レンズ３００と、サンプル１７を載置しているステージ２００が順次配置されている。第２のビームスプリッタ１４は、第１のビームスプリッタ８によって反射されたレーザ光２やサンプル１７から反射したレーザ光２を透過させ、後述する白色光１３を一定の分割比で分割（反射、または透過）させる。第２のビームスプリッタ１４の反射透過率特性については後述する。干渉対物レンズ３００に設けられている対物レンズ３１は、レーザ光２をサンプル１７の表面上に結像（集光）させる。なお、干渉対物レンズ３００には、対物レンズ３１の下方に第１のハーフミラー３２が設けられており、第１のハーフミラー３２はレーザ光２を透過させる。なお、第１のハーフミラー３２の反射透過特性については後述する。このように、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａは、レーザ光源１から出射されたレーザ光２を対物レンズ３１によってサンプル１７に照射する。

また、レーザ光２は、サンプル１７から反射された後、上述した同じ光路を通り、偏光ビームスプリッタ３に戻る。その際、１／４波長板７は、サンプル１７から反射されたレーザ光２の偏光方向を１／４波長分だけ変換する。これにより、レーザ光２は、再び直線偏光に変換される。直線偏光に変換されたレーザ光２は、レーザ光源１から出射されたレーザ光２に対して直交する直線偏光の特性を有する。そのため偏光ビームスプリッタ３は、レーザ光２を反射する。

また、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａには、偏光ビームスプリッタ３によって反射されるレーザ光２の反射光路上に第２の結像レンズ９と、ピンホール１０と、レーザ用受光素子１１が順次配置されている。ピンホール１０は、対物レンズ３１の焦点位置と共役な位置に配置されており、対物レンズ３１によってサンプル１７の表面上に集光され、サンプル１７の表面上にてピントのあったレーザ光２のみを通過させる。レーザ用受光素子１１は、ピンホール１０を透過したレーザ光２を受光し、受光したレーザ光２の光量（強度）に応じて変化する出力信号を制御本体部５１に出力する。制御本体部５１は、出力信号から輝度情報（Ｉ）を形成する。レーザ用受光素子１１には、例えば光電子増倍管やフォトダイオードなどが用いられる。

このように、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａは、サンプル１７から反射したレーザ光２（反射光）をレーザ用受光素子１１に受光させ、受光したレーザ光２の強度に対応する第１の出力信号をレーザ用受光素子１１から出力させる。

なお、干渉対物レンズ３００とサンプル１７の光軸方向における距離（以下、相対距離）は、駆動機構４０によって一定のピッチだけ変わり、静止される。レーザ用受光素子１１は、この相対距離における出力信号を制御本体部５１に出力する。制御本体部５１は、出力信号からこの相対距離における輝度情報（Ｉ）を形成する。このように輝度情報（Ｉ）は、相対距離が変化するたびに形成される。相対距離毎に形成された複数の輝度情報（Ｉ）が制御本体部５１によって合成されると、フレアの少ない高分解能で高コントラストなサンプル１７の表面情報を有する全焦点画像が形成され、観察される。

このように、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａは、干渉対物レンズ３００を干渉光学系４００ｂと兼用し、レーザ光源１から出射され、対物レンズ３１によってサンプル１７に照射され、サンプル１７から反射するレーザ光２からサンプル１７の表面情報を観察する第２の観察光学系を有する。

次に、干渉顕微鏡における干渉光学系４００ｂについて説明する。この干渉光学系４００ｂには、可干渉性が抑えられた低コヒーレントな照明光である白色光１３を出射する白色光源１２と、白色光源１２から出射された白色光１３を、白色光１３の波長域に応じて一定の分割比で分割する第２のビームスプリッタ１４が順次配置されている。白色光源１２は、例えば可視域から赤外域までの広い領域の光を出射するハロゲンランプや水銀ランプなどである。第２のビームスプリッタ１４は、分割した白色光１３の一部を干渉対物レンズ３００に向けて反射させる。

干渉対物レンズ３００において、対物レンズ３１は、第２のビームスプリッタ１４によって反射された白色光１３をサンプル１７の表面に結像（集光・照射）させる。その際、光分割部材である第１のハーフミラー３２は、対物レンズ３１を透過した白色光１３を白色光１３の波長域に応じて一定の分割比にて分割させる。詳細には第１のハーフミラー３２は、一方の白色光１３をサンプル１７に向けて透過させ、他方の白色光１３を参照板（参照面）３３に向けて反射させる。第１のハーフミラー３２の反射透過率特性については後述する。このように干渉光学系４００ｂは、白色光源１２から出射された白色光１３をサンプル１７と参照板３３に照射する。

参照板３３は、第１のハーフミラー３２から反射した白色光１３を第１のハーフミラー３２に向けて反射する。第１のハーフミラー３２は、参照板３３から反射した白色光１３を対物レンズ３１に向けて反射する。また第１のハーフミラー３２を透過した白色光１３は、サンプル１７によって反射される。第１のハーフミラー３２は、サンプル１７から反射したこの白色光１３を対物レンズ３１に向けて透過させる。これによりサンプル１７の表面から反射した白色光１３と参照板３３から反射した白色光１３は、干渉する。

なお、第１のビームスプリッタ８は、第２のビームスプリッタ１４によって分割された干渉光を透過させる。

また、干渉光学系４００ｂにおいて、第１のビームスプリッタ８の透過光路上には、第１のビームスプリッタ８を透過した干渉光を結像させる第３の結像レンズ１５と、第３の結像レンズ１５の焦点位置に配置され、サンプル１７の干渉像を撮像する第１の撮像素子１６が順次配置されている。干渉像とは、干渉しあうサンプル１７の表面から反射した白色光１３と参照板３３から反射した白色光１３である。第１の撮像素子１６には、例えばＣＣＤカメラやＣＭＯＳセンサなどが用いられる。第１の撮像素子１６によって撮像される干渉像には、サンプル１７の表面画像に干渉縞（干渉像情報）が重なっている。第１の撮像素子１６は、この干渉像情報を出力信号（第２の出力信号）として制御本体部５１に出力する。

このように、干渉光学系４００ｂは、干渉しあうサンプル１７から反射する光と参照板３３から反射する光と結像させて干渉像を観察する第１の観察光学系を有している。

なお、上述したように相対距離は駆動機構４０によって一定のピッチだけ変わり、静止される。干渉像は、相対距離が変化するたびに形成される。相対距離毎に形成された干渉像は、制御本体部５１に取得され、取得した複数の干渉像から干渉による輝度の変化が制御本体部５１によって算出される。これにより、サンプル１７の表面の高さ情報（高さ画像）が制御本体部５１によって形成される。上述したようにＮＡの小さい低倍率の対物レンズでも高分解能な高さが取得される。

次に、干渉対物レンズ３００の構成について説明する。干渉対物レンズ３００は、上述したようにレーザ光２と、白色光１３をサンプル１７の表面に照射させる対物レンズ３１と、レーザ光２を透過させ、白色光１３を分割させる（白色光１３の一方をサンプル１７に向けて透過させ、白色光１３の他方を反射させる）第１のハーフミラー３２と、第１のハーフミラー３２から反射される白色光１３によって照射される参照板３３を有している。第１のハーフミラー３２は、対物レンズ３１とサンプル１７の間に配置されている。参照板３３は、第１のハーフミラー３２を介して干渉対物レンズ３００の物体側焦点位置と光学的に共役な位置（第１のハーフミラー３２によって分割された光路上）に配置されている。参照板３３の表面（第１のハーフミラー３２に対向する面）は、鏡面であるため、照射された白色光１３を第１のハーフミラー３２に反射する。第１のハーフミラー３２は、この白色光１３を対物レンズ３１に反射する。また参照板３３は、第１のハーフミラー３２によって分割された光路上に配置されている。このように対物レンズ３１と、第１のハーフミラー３２と、参照板３３は、干渉対物レンズ３００の光軸上に配置されており、ミラウ型の干渉対物レンズを構成している。

干渉対物レンズ３００（対物レンズ３１）は、共焦点レーザ走査型顕微鏡と干渉顕微鏡にて兼用（共有）される部材であるため、共焦点レーザ走査型顕微鏡における観察視野と干渉顕微鏡における観察視野を同一のものにしている。

なお、図１２ではミラウ型の干渉対物レンズを例として示しているが、図１３に示すようにマイケルソン型の干渉対物レンズでも基本構成、動作、作用は同様である。

図１３に示すようにマイケルソン型の干渉対物レンズ３００は、対物レンズ３１と、レーザ光２と白色光１３の一方を透過させ、白色光１３の他方を反射させる対物用ビームスプリッタ３４と、対物用ビームスプリッタ３４によって反射された白色光１３によって照射される参照ミラー（参照面）３５と、を有している。対物レンズ３１と、対物用ビームスプリッタ３４は、干渉対物レンズ３００の光軸上に配置されている。参照ミラー３５は、対物用ビームスプリッタ３４の反射光路上に配置され、対物用ビームスプリッタ３４を介して対物レンズ３１の物体側焦点位置と光学的に共役な位置に配置されている。参照ミラー３５の表面（対物用ビームスプリッタ３４に対向する面）は、鏡面であるため、照射された白色光１３を対物用ビームスプリッタ３４に反射する。対物用ビームスプリッタ３４は、この白色光１３を対物レンズ３１に反射する。対物用ビームスプリッタ３４の反射透過率特性は、後述する。このように、対物レンズ３１と、対物用ビームスプリッタ３４と、参照ミラー３５は、マイケルソン型の干渉対物レンズを構成している。

次に、第１のビームスプリッタ８の反射透過率特性について図１４を参照して説明する。この反射透過率特性とは、第１のビームスプリッタ８の反射率と透過率と、第１のビームスプリッタ８を反射、または透過する光（レーザ光２、白色光１３）の波長域の関係である。また、第２のビームスプリッタ１４と、第１のハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４の反射透過率特性について図１５を参照して説明する。この反射透過率特性とは、第２のビームスプリッタ１４と、第１のハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４の反射率と透過率と、第２のビームスプリッタ１４と、第１のハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４を反射、または透過する光（レーザ光２、白色光１３）の波長域の関係である。

図１４と、図１５に示すように第１のビームスプリッタ８と、第２のビームスプリッタ１４と、第１のハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４は、光の波長域に応じて反射率及び透過率がそれぞれ異なる。このように、第１のビームスプリッタ８は、所望する光の波長域に応じて光を反射、または透過させる。また、第２のビームスプリッタ１４と、第１のハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４は、所望する光の波長域に応じて光を所望する比率にて分割する。分割した光は、透過、または反射される。つまり、第１のビームスプリッタ８は、レーザ光２を略１００％反射させ、白色光１３を略１００％透過させる分光特性を有する。また、第２のビームスプリッタ１４と、第１のハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４は、レーザ光２を略１００％透過させ、白色光１３を略５０％反射させ、略５０％透過させる分光特性を有する。

上述した制御本体部５１は、駆動機構４０を介して干渉対物レンズ３００と接続している。この駆動機構４０は、例えば干渉対物レンズ３００を焦点方向（Ｚ方向、光軸方向）に移動させ、サンプル１７の表面に位置する位置決めを行う。このように駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００、またはステージ２００の少なくとも１つを光軸１８に沿って移動させて、光軸方向における干渉対物レンズ３００とサンプル１７の相対距離を変える。

次に、高さ情報を取得するための取得範囲を設定する際の３次元形状観察装置１００の動作について説明する。
この取得範囲とは、高さ情報を取得するためのサンプル１７と干渉対物レンズ３００の光軸方向の相対距離における上限位置から下限位置までの範囲である。

制御本体部５１は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａから観察画像を取得し、この観察画像を基にサンプル１７の表面に焦点を合わせる。次に、制御本体部５１は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａから取得された観察画像を基に駆動機構４０によって共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａの取得範囲（相対距離における上限位置と下限位置）を設定する。次に、制御本体部５１は、設定した共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａの取得範囲をメモリ５２に記憶させる。

また、制御本体部５１は、干渉光学系４００ｂから観察画像を取得し、この観察画像を基にサンプル１７の表面に大まかに焦点を合わせる。次に、制御本体部５１は、観察画像に干渉縞が生じるように微細に焦点を合わせる。次に、制御本体部５１は、干渉光学系４００ｂから取得された観察画像を基に駆動機構４０によって干渉光学系４００ｂの取得範囲を設定する。次に、制御本体部５１は、設定した干渉光学系４００ｂの取得範囲をメモリ５２に記憶させる。

上述したように共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａと干渉光学系４００ｂに対してそれぞれ取得範囲を設定する理由は、共焦点レーザ走査型顕微鏡と干渉顕微鏡の光学的な特性の違いと、同焦が一致していないためである。

このように制御本体部５１は、設定後、相対距離（上限位置と下限位置の間）において、干渉対物レンズ３００を駆動機構４０によって光軸１８に沿って移動させ、輝度情報（Ｉ）と干渉像を取得する。これにより３次元形状観察装置１００は、サンプル１７の３次元形状画像を取得し、この３次元形状画像を参照して観察する。
特開平０９−０６８４１３号公報 特開２００４−０２８６４７号公報

しかしながら、上述した３次元形状観察装置１００は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａと干渉光学系４００ｂに対してそれぞれ取得範囲を設定するため、操作性が悪く、サンプル１７の３次元形状画像を取得するまでに時間がかかってしまう。

よって、本発明は上記事情を鑑みて、干渉光学系以外の光学系における観察光学系によって、干渉光学系と干渉光学系以外の光学系におけるサンプルの高さ情報の取得範囲を設定でき、サンプルの３次元形状画像を短時間に容易に取得することができる３次元形状観察装置を提供することを目的とする。

本発明は、目的を達成するために、光を出射する光源と、前記光源から出射された前記光をサンプルに照射する対物レンズと、前記対物レンズと前記サンプルの間に配置され、前記対物レンズを透過した光を分割することで一方の前記光を透過させ、他方の前記光を反射させる光分割部材と、前記光分割部材によって分割された光路上に配置され、前記光分割部材から反射された他方の前記光によって照射される参照面と、を有する干渉対物レンズと、干渉しあう前記サンプルから反射する前記光と前記参照面から反射する前記光を結像させて干渉像を観察する第１の観察光学系と、を有する干渉光学系と、前記干渉対物レンズを前記干渉光学系と兼用し、前記サンプルから反射された前記光から前記サンプルの表面情報を観察する第２の観察光学系と、を有する、前記干渉光学系とは異なる光学系と、前記干渉対物レンズと前記サンプルとの光軸方向における相対距離を調整する移動機構と、前記移動機構が前記相対距離を調整する際に、前記第２の観察光学系によって観察される前記表面情報を基に前記光学系における前記サンプルの高さ情報を取得するための第１の取得範囲を算出し、算出された前記第１の取得範囲から前記干渉光学系における前記サンプルの高さ情報を取得するための第２の取得範囲を算出する制御部と、を具備することを特徴とする３次元形状観察装置を提供する。

また本発明は、目的を達成するために、光を出射する光源と、光軸上に配置された際に、前記光源から出射された前記光をサンプルに照射する第１の対物レンズと、前記第１の対物レンズと前記サンプルの間に配置され、前記第１の対物レンズを透過した光を分割することで一方の前記光を透過させ、他方の前記光を反射させる光分割部材と、前記光分割部材によって分割された光路上に配置され、前記光分割部材から反射された他方の前記光によって照射される参照面と、を有する干渉対物レンズと、干渉しあう前記サンプルから反射された前記光と前記参照面から反射された前記光を結像させて干渉像を観察する第１の観察光学系と、を有する干渉光学系と、前記第１の対物レンズを有する前記干渉対物レンズとは異なる第２の対物レンズを有し、前記サンプルの表面情報を観察する第２の観察光学系と、を有する、前記干渉光学系とは異なる光学系と、前記光軸上に配置される前記干渉対物レンズまたは前記第２の対物レンズと前記サンプルとの光軸方向における相対距離を調整する移動機構と、前記第２の対物レンズが前記光軸上に配置され、前記移動機構が前記相対距離を調整する際に、前記第２の観察光学系によって観察される前記表面情報を基に前記光学系における前記サンプルの高さ情報を取得するための第１の取得範囲を算出し、算出された前記第１の取得範囲から前記干渉光学系における前記サンプルの高さ情報を取得するための第２の取得範囲を算出する制御部と、を具備することを特徴とする３次元形状観察装置を提供する。

本発明によれば、干渉光学系以外の光学系における観察光学系によって、干渉光学系と干渉光学系以外の光学系におけるサンプルの高さ情報の取得範囲を設定でき、サンプルの３次元形状画像を短時間に容易に取得することができる３次元形状観察装置を提供できる。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１の実施形態に係る３次元形状観察装置の構成図である。図２は、複数の干渉対物レンズを保持するレボルバの概略図である。図３は、第３のビームスプリッタ３６の反射透過率特性を示す図である。図４は、バンドパスフィルタ２０の透過率特性を示す図である。図５は、バンドパスフィルタ２１の透過率特性を示す図である。図６は、面１７ａと面１７ｂに対応する干渉光学系における光軸方向の干渉強度の変化を示す。前述した図１２に示す３次元形状観察装置と同一部材には同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、以下の説明において相対距離とは、干渉対物レンズ３００とサンプル１７の光軸方向における距離を示す。

本実施形態における３次元形状観察装置１００は、ステージ２００と、干渉対物レンズ３００と、顕微鏡本体４００と、制御部５００と、サンプル１７の３次元形状画像を表示する表示部６００と、３次元形状観察装置１００にサンプル１７の３次元形状を観察させる指示を出力する指示部７００と、駆動機構４０から構成されている。

駆動機構４０は、干渉対物レンズ３００、またはステージ２００の少なくとも１つを光軸方向に沿って移動させて、相対距離を調整する。なお、本実施形態において相対距離は、手動で調整されてもよく、相対距離の調整は特に限定されない。

また、本実施形態において、図２に示すように対物レンズ配置部であるレボルバ４５によって、光学特性（例えばＮＡや倍率）の異なる複数の干渉対物レンズ３００が保持されていても良い。この場合、本実施形態は、一方の干渉対物レンズ３００ａのＮＡ（以下、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００ａと称する）を他方の干渉対物レンズ３００ｂのＮＡ（以下、高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００ｂと称する）よりも低く設定する。低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００ａ（第１の対物レンズ）と高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００ｂ（第２の対物レンズ）は、異なる光学特性（観察視野）を有する。レボルバ４５は、低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００ａと、高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００ｂを保持し、いずれか１つを光軸上に配置する。これにより本実施形態は、観察視野の広さを調整でき、後述する表面光学像情報と干渉像情報を取り込む時間を調整することができる。なお、光学特性は、観察視野の広さを調整できればＮＡ等に限定する必要はない。この場合、駆動機構４０は、レボルバ４５を光軸１８に沿って移動させ、光軸上に配置される低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００と、高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００のいずれか１つとサンプル１７との相対距離を変える。もちろんステージ２００を光軸１８に沿って移動させてもよい。

本実施形態における干渉対物レンズ３００には、第３のビームスプリッタ３６が配置されている。第３のビームスプリッタ３６は、図３に示すように透過する光の波長域に応じて反射率及び透過率がそれぞれ異なる。詳細には、第３のビームスプリッタ３６は、波長略７８０ｎｍ以下の光（以下、可視光と称する）の略１００％をサンプル１７に向けて透過させ、波長略７８０ｎｍ以上の光（以下、赤外光と称する）の略５０％をサンプル１７に向けて透過させ、また、赤外光の略５０％を参照板３３に向けて反射する。

本実施形態における顕微鏡本体４００には、第２のビームスプリッタ１４と同等の機能を有する第２のハーフミラー２３が配置されている。

また、第２のハーフミラー２３と、第３の結像レンズ１５の間の光軸上には、バンドパスフィルタ２０、またはバンドパスフィルタ２１の少なくとも一方が配置される。

バンドパスフィルタ２０の透過率特性は、図４に示すように透過する光の波長域に応じて異なる透過率を有する。バンドパスフィルタ２０は、所望する波長略９００ｎｍを中心とする波長域の光（赤外光）を透過させる。

バンドパスフィルタ２１の透過率特性は、図５に示すように透過する光の波長域に応じて異なる透過率を有する。バンドパスフィルタ２１は、所望する波長略５５０ｎｍを中心とする波長域の光（可視光）を透過させる。

このようにバンドパスフィルタ２０とバンドパスフィルタ２１は、所望する波長により透過率が異なる。バンドパスフィルタ２０とバンドパスフィルタ２１は、フィルタ切換機構１９に保持されている。フィルタ切換機構１９は、例えばモータである第１の駆動部２２によって中心軸２２ａを中心に所望する回転速度で回転する。第１の駆動部２２は、制御本体部５１によって制御される。制御本体部５１が第１の駆動部２２を駆動させることで、フィルタ切換機構１９が回転する。これによりバンドパスフィルタ２０、バンドパスフィルタ２１の少なくとも一方が光軸上に配置される。

本実施形態における第１の撮像素子１６は、バンドパスフィルタ２０が光軸上に配置された際、赤外光による干渉像を撮像し、撮像した赤外光に対応する出力信号を制御本体部５１に出力する。また、第１の撮像素子１６は、バンドパスフィルタ２１が光軸上に配置された際、可視光による光学顕微鏡観察像を撮像し、撮像した可視光に対応する出力信号を制御本体部５１に出力する。光学顕微鏡観察像とは、サンプル表面の表面情報を示す。

このように、本実施形態における３次元形状観察装置１００には、バンドパスフィルタ２１が光軸上に配置されることで光学顕微鏡光学系が形成され、バンドパスフィルタ２０が光軸上に配置されることで干渉光学系が形成される。このように３次元形状観察装置１００は、光学顕微鏡光学系と干渉光学系の両方を有している。光学顕微鏡光学系は、干渉光学系以外の光学系である。光学顕微鏡光学系と、干渉光学系は、それぞれ観察光学系を有し、観察光学系は、光学顕微鏡光学系と、干渉光学系にて兼用（共有）される部材である例えば干渉対物レンズ３００の対物レンズ３１を有する。

制御部５００には、制御本体部（例えばＣＰＵ）５１と、制御本体部５１と接続しているメモリ５２と画像処理部５３が設けられている。

制御本体部５１は、白色光源１２の照明強度と、第１の撮像素子１６の感度調節と、第１の撮像素子１６のシャッタ速度と、光軸上に配置する干渉対物レンズ３００を切り替えるためレボルバ４５を回転させる動作と、第１の駆動部２２の駆動動作などを制御する。

また、制御本体部５１は、バンドパスフィルタ２１が光軸上に配置されている際、第１の撮像素子１６から出力される出力信号を取得する。また、制御本体部５１は、バンドパスフィルタ２０が光軸上に配置されている際、第１の撮像素子１６から出力される出力信号を取得し、第１の撮像素子１６によって撮像された干渉像情報を算出する。また、制御本体部５１は、後述する動作によって干渉像情報からサンプル１７の高さ情報を形成する。この高さ情報は、サンプル１７の高さを表す。

メモリ５２は、制御本体部５１で取得された可視光による対応する出力信号（光学顕微鏡観察像）と、制御本体部５１によって形成された干渉像情報や高さ情報を記憶する。また、メモリ５２は、画像処理部５３がサンプル１７の３次元形状画像を形成する際に使用される設定パラメータや、駆動機構４０が相対距離を調整する際に、例えば、干渉対物レンズ３００が光軸１８に沿って移動するための移動量（一定のピッチ）を記憶する。なお、設定パラメータとは、例えば、制御本体部５１が出力信号を取得するための最適なピッチや、干渉対物レンズ３００の移動速度である。３次元形状観察装置１００が３次元形状画像を取得する際に、設定パラメータは制御本体部５１に出力される。また、メモリ５２は、後述する上限位置と、下限位置と、取得範囲Ｄ１と、取得範囲Ｄ２と、加算範囲ＡＲＬと、加算範囲ＡＲＨと、同焦補正テーブルを記憶する。

ピッチは、光軸上に配置される干渉対物レンズ３００の光学特性（例えばＮＡ）によって予め設定されている。よって、メモリ５２には、干渉対物レンズ３００の光学特性と、この光学特性に応じたピッチの組み合わせが記憶されている。例えば、上述したように低いＮＡを有する干渉対物レンズ３００ａに代わって高いＮＡを有する干渉対物レンズ３００ｂが光軸上に配置されると、ピッチも変わる。制御本体部５１は、駆動機構４０に入力されたピッチだけ光軸上に配置されている干渉対物レンズ３００を光軸１８に沿って移動させ、相対距離を調整させる。

画像処理部５３は、メモリ５２に記憶されている出力信号から後述する光学顕微鏡観察画像（表面情報）を形成し、メモリ５２に記憶されている高さ情報から高さ画像（３次元形状画像）を形成する。

表示部６００は、画像処理部５３によって形成された光学顕微鏡観察画像（表面情報）と、高さ画像（３次元形状画像）の少なくとも１つを表示し、３次元形状観察装置１００を使用する使用者が３次元形状観察装置１００への動作指示をする制御画面を有している。表示部６００は、例えば、液晶ディスプレイまたはＣＲＴディスプレイである。

指示部７００は、例えばマウス、キーボード、タッチパネルなどである。また、指示部７００は、制御本体部５１に高さ情報を取得するための取得範囲の設定を指示する。この取得範囲とは、高さ情報を取得する際のサンプル１７と対物レンズ３１の光軸方向の相対距離における上限位置から下限位置までの範囲である。

このような制御部５００、表示部６００、指示部７００は、サンプル１７の３次元形状を観察する専用のコントローラユニットやＰＣなどである。

次に、本実施形態における３次元形状観察装置１００の動作方法について説明する。
白色光源１２から出射された白色光１３は、第２のハーフミラー２３によって図１５に示すように一定の分割比にて分割される。分割によって下方（干渉対物レンズ３００側）に反射された白色光１３は、対物レンズ３１を透過する。透過した白色光１３は、第３のビームスプリッタ３６によって分割される。分割によって第３のビームスプリッタ３６を透過した一方の白色光１３は、サンプル１７を照射する。また、分割によって反射した他方の白色光１３は、参照板３３の表面を照射する。参照板３３の表面は鏡面であるため、この白色光１３は、参照板３３によって反射される。

サンプル１７には、第３のビームスプリッタ３６の反射透過率特性によって、可視光の略１００％の光量と、赤外光の略５０％の光量が照射される。また、参照板３３には、第３のビームスプリッタ３６の反射透過率特性によって、赤外光の略５０％の光量が照射される。参照板３３には、第３のビームスプリッタ３６の反射透過率特性によって、可視光は照射されない。また、参照板３３は、第３のビームスプリッタ３６で反射した赤外光の光を反射する。

サンプル１７から反射した白色光１３は、上述した第３のビームスプリッタ３６の反射透過率特性に基づいて再び第３のビームスプリッタ３６と、対物レンズ３１を透過する。また、参照板３３から反射した白色光１３は、上述した第３のビームスプリッタ３６の反射透過率特性に基づいて再び第３のビームスプリッタ３６によって反射され、対物レンズ３１を透過する。このとき、参照板３３から反射した反射光は、赤外光のみである。よって、サンプル１７から反射した反射光とは、この波長域についてのみ光の干渉が生じる。そのため対物レンズ３１を透過する透過光には、このような干渉情報を有する波長域の光（赤外光）と、干渉情報を有さない波長域の光（可視光）が含まれている。

対物レンズ３１を透過した白色光（干渉光）１３は、第２のハーフミラー２３と、光軸上に配置されているバンドパスフィルタ２０、またはバンドパスフィルタ２１を透過する。バンドパスフィルタ２０、またはバンドパスフィルタ２１を透過した透過光は、第３の結像レンズ１５によって結像され、第１の撮像素子１６によって撮像される。

なお、フィルタ切換機構１９によってバンドパスフィルタ２０が光軸上に配置されている場合、図４に示すバンドパスフィルタ２０の透過率特性によって、第１の撮像素子１６は、波長略９００ｎｍを中心とする赤外光による干渉像を撮像する。

また、フィルタ切換機構１９によってバンドパスフィルタ２１が光軸上に配置されている場合、図５に示すバンドパスフィルタ２１の透過率特性によって、第１の撮像素子１６は波長略５５０ｎｍを中心とする可視光による光学顕微鏡観察像を撮像する。

このようにフィルタ切換機構１９が光軸上に配置されるバンドパスフィルタを切り換えることで、第１の撮像素子１６は赤外光（干渉像）または可視光（光学顕微鏡観察像）を撮像する。

第１の撮像素子１６は赤外光または可視光を撮像した際、制御本体部５１に出力信号を出力する。制御本体部５１は、取得した出力信号より光学顕微鏡観察像（表面情報）と、高さ情報を形成する。形成された光学顕微鏡観察像（表面情報）と高さ情報は、メモリ５２に記憶される。画像処理部５３は、メモリ５２に記憶されている光学顕微鏡観察像から観察画像（光学顕微鏡観察画像）を形成し、メモリ５２に記憶されている高さ情報から高さ画像（３次元形状画像）を形成する。表示部６００は、光学顕微鏡観察画像（表面情報）と、高さ画像（３次元形状画像）、の少なくとも１つを表示する。

次に、サンプル１７の高さ情報を取得するために取得範囲を設定する際の３次元形状観察装置１００の動作方法について説明する。
３次元形状画像を取得するために必要な光学特性（例えば観察視野）を有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置される。なお、図２に示すようにレボルバ４５によって複数の干渉対物レンズ３００が保持されている場合、サンプル１７の３次元形状を観察する際に使用する所望な光学特性を有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置される。

次に、指示部７００は、制御本体部５１にサンプル１７の表面における３次元形状画像の取得を指示する。制御本体部５１は、第１の駆動部２２を駆動させて、フィルタ切換機構１９を回転させる。フィルタ切換機構１９は、光軸上にバンドパスフィルタ２１を配置する。これにより３次元形状観察装置１００は、光学顕微鏡光学系を形成する。

制御本体部５１は、白色光源１２を制御する。白色光源１２は、白色光１３を出射する。白色光１３は、第２のハーフミラー２３によって反射され、対物レンズ３１、第３のビームスプリッタ３６を透過しサンプル１７を照射する。また、白色光１３は、第２のハーフミラー２３によって反射され、対物レンズ３１を透過し、第３のビームスプリッタ３６によって反射され参照板３３を照射する。参照板３３とサンプル１７から反射した白色光１３は、対物レンズ３１、第２のハーフミラー２３を透過し、バンドパスフィルタ２１に入射する。バンドパスフィルタ２１は、透過率特性に基づいて可視光のみを透過させる。これにより第１の撮像素子１６は、可視光を撮像する。また、第１の撮像素子１６は、制御本体部５１に出力信号を出力する。これにより表示部６００には、光学顕微鏡光学系によって取得された光学顕微鏡観察像を基に形成された観察画像（以下、光学顕微鏡観察画像と称する）が表示される。

制御本体部５１は、光学顕微鏡光学系によって取得された光学顕微鏡観察画像に基づいて駆動機構４０によって相対距離を調整し、サンプル１７にピントを合わせ、観察位置を調整し、フォーカス位置を調整する。

次に、指示部７００は、制御本体部５１にサンプル１７の高さ情報を取得するために取得範囲を設定することを指示する。これにより制御本体部５１は、上限位置と下限位置を設定する。例えば、制御本体部５１は、干渉対物レンズ３００のみを光軸１８に沿って移動させて相対距離を調整する際、干渉対物レンズ３００の上限位置と下限位置を設定する。この上限位置とは、サンプル１７から離れた位置であり、下限位置とは、サンプル１７に近接する位置である。また、例えば制御本体部５１は、ステージ２００のみを光軸１８に沿って移動させて相対距離を調整する際、ステージ２００の上限位置と下限位置を設定する。この上限位置とは、干渉対物レンズ３００に近接する位置であり、下限位置とは、干渉対物レンズ３００から離れた位置である。

図６を参照して本実施形態における高さ情報の取得範囲の設定方法について説明する。
図６に示すようにサンプル１７は、高さの異なる面１７ａと面１７ｂを有している。図６は、面１７ａと面１７ｂに対応する干渉光学系における光軸方向の干渉強度の変化を示す。また、本実施形態では、光軸方向における面１７ａから面１７ｂまでの表面形状を観察、または面１７ａから面１７ｂまでの高さを観察（計測）する場合について説明する。

制御本体部５１は、光学顕微鏡光学系によって取得された光学顕微鏡観察画像を基にして、面１７ａにピントを合わせる。その際、指示部７００は、面１７ａを下限位置に設定（指定）する。メモリ５２は、面１７ａに対応する光軸方向におけるフォーカス位置ＺＬが下限位置であることを記憶する。

次に、制御本体部５１は、光学顕微鏡光学系によって取得される光学顕微鏡観察画像を基に面１７ｂにピントを合わせる。その際、指示部７００は、面１７ｂを上限位置に設定（指定）する。メモリ５２は、面１７ｂに対応する光軸方向におけるフォーカス位置ＺＨが上限位置であることを記憶する。

制御本体部５１は、設定したフォーカス位置ＺＬからフォーカス位置ＺＨまでの範囲を光学顕微鏡光学系の取得範囲Ｄ１として設定（算出）する。メモリ５２は、この取得範囲Ｄ１を記憶する。取得範囲Ｄ１（上限位置から下限位置までの範囲）が設定されると、制御本体部５１は、予めメモリ５２に記憶された加算範囲ＡＲＬと加算範囲ＡＲＨを取得範囲Ｄ１に加算する。この加算範囲ＡＲＬと加算範囲ＡＲＨは、所望する距離を有し、加算範囲ＡＲＬはフォーカス位置ＺＬの下方に位置し、加算範囲ＡＲＨはフォーカス位置ＺＨの上方に位置する。加算範囲ＡＲＬと、加算範囲ＡＲＨと、取得範囲Ｄ１は、連続している。制御本体部５１は、加算結果を取得範囲Ｄ２として設定（算出）する。取得範囲Ｄ２は、干渉光学系の高さ情報取得範囲である。メモリ５２は、この取得範囲Ｄ２を記憶する。

次に加算範囲ＡＲＬ、加算範囲ＡＲＨについて説明する。
図６に示すように任意の１画素に注目した際、干渉光学系における干渉強度は、フォーカス位置ＺＨまたはフォーカス位置ＺＨ付近と、フォーカス位置ＺＬまたはフォーカス位置ＺＬ付近にてピークを有し、フォーカス位置ＺＨまたはフォーカス位置ＺＨ付近と、フォーカス位置ＺＬまたはフォーカス位置ＺＬ付近から離れるに従い徐々に減衰する。

制御本体部５１は、干渉光学系における干渉強度のピーク位置を取得するために、バンドパスフィルタ２０をフィルタ切換機構１９によって光軸上に配置し、干渉光学系を形成する。その際、制御本体部５１は、第１の撮像素子１６から出力信号を取得し、フォーカス位置ＺＨまたはフォーカス位置ＺＨ付近と、フォーカス位置ＺＬまたはフォーカス位置ＺＬ付近の中から干渉強度のピーク位置を適当なアルゴリズムを用いて全画素に対して算出する。これにより画像処理部５３は、３次元形状画像を形成する。

したがって、制御本体部５１は、面１７ａ，１７ｂに対してピーク位置を算出するために、面１７ａのフォーカス位置ＺＬから加算範囲ＡＲＬだけ駆動機構４０によって干渉対物レンズ３００を光軸方向に移動させ、フォーカス位置ＺＬまたはフォーカス位置ＺＬ付近の干渉強度の状態を第１の撮像素子１６から取得する。その際、制御本体部５１は、フォーカス位置ＺＬまたはフォーカス位置ＺＬ付近の干渉強度の中から、干渉強度のピーク位置を取得する。

また、制御本体部５１は、サンプル１７の面１７ｂのフォーカス位置ＺＨから加算範囲ＡＲＨだけ駆動機構４０によって干渉対物レンズ３００を光軸方向に移動させ、フォーカス位置ＺＨまたはフォーカス位置ＺＨ付近の干渉強度の状態を第１の撮像素子１６から取得する。その際、制御本体部５１は、フォーカス位置ＺＨまたはフォーカス位置ＺＨ付近の干渉強度の中から、干渉強度のピーク位置を取得する。

このように制御本体部５１は、干渉光学系における高さ情報の取得範囲を設定する際に、取得範囲Ｄ２において干渉像を取得する必要がある。

なお、加算範囲ＡＲＬ，ＡＲＨは、白色光源１２の可干渉距離に依存する。また、干渉対物レンズ３００は、光学顕微鏡光学系と干渉光学系の同焦点距離を一致させることも可能である。しかしながら、同焦が一致していない場合、メモリ５２は、予め同焦ずれ量をテーブル（同焦補正テーブル）として記憶する。制御本体部５１は、取得範囲Ｄ１と、加算範囲ＡＲＬ，ＡＲＨと、同焦補正テーブルに基づいて取得範囲Ｄ２、すなわち干渉光学系による高さ情報の取得範囲を算出する。

上記の高さ情報の取得範囲の設定が完了した時点で、制御本体部５１は、サンプル１７の表面形状の高さ情報の取得を開始する。この際、バンドパスフィルタ２０がフィルタ切換機構１９により光軸１８上に配置されると、第１の撮像素子１６は赤外光を撮像する。次に、干渉対物レンズ３００は、駆動機構４０によって光軸方向において取得範囲Ｄ２を移動し、第１の撮像素子１６は順次赤外光を撮像し、制御本体部５１は順次干渉像を取得し、高さ情報を形成する。

これにより画像処理部５３は、光学顕微鏡観察画像（表面情報）と高さ画像（３次元形状画像）を形成し、表示部６００は表示する。

このように、本実施形態の３次元形状観察装置１００は、干渉光学系と、干渉光学系とは異なる光学顕微鏡光学系の２つの光学系を有し、光学顕微鏡光学系の観察光学系によって取得される光学顕微鏡観察画像を用いてサンプル１７の観察位置の調整を行うことで、干渉光学系の高さ情報の取得範囲を自動で設定できる。

従来の３次元形状観察装置の干渉光学系は、取得した観察画像に干渉縞が生じているために観察位置とフォーカス位置の調整に手間がかかり、操作性が悪く、サンプルの３次元形状画像を取得に対して時間がかかる。

しかしながら、本実施形態の３次元形状観察装置１００は、光学顕微鏡光学系の観察光学系によって取得される光学顕微鏡観察画像を用いる。光学顕微鏡観察画像は、バンドパスフィルタ２１が可視光のみを透過させるために、焦点深度が深く、干渉縞のない画像である。よって、本実施形態の３次元形状観察装置１００は、光学顕微鏡観察画像によって観察位置の調整と、フォーカス位置の調整を容易に素早く行うことができる。また、本実施形態の３次元形状観察装置１００は、光学顕微鏡光学系によって取得される光学顕微鏡観察画像から干渉光学系の高さ情報の取得範囲を設定することができる。これにより、本実施形態の３次元形状観察装置１００は、サンプル１７の３次元形状画像を短時間に容易に操作性良く取得することができる。

より詳細には、干渉光学系によって高さ情報の取得範囲を設定する際に、干渉縞を探す作業は、手間と時間がかかる。本実施形態は、光学顕微鏡光学系の観察光学系によって干渉光学系の高さ情報の取得範囲を設定することができる。そのため、本実施形態は、干渉光学系によって高さ情報の取得範囲を設定する必要はない。よって、本実施形態は、干渉縞を探す作業を不用とし、サンプル１７の３次元形状画像を短時間に容易に操作性良く取得することができる。

なお、本実施形態では、透過率特性の異なる２種類のバンドパスフィルタ２０，２１を用いたが、この数に限定する必要はない。

また、フィルタ切換機構１９は、回転式に限定されるものではない。例えばフィルタスライダに装着されたバンドパスフィルタ２０，２１を光軸１８上から挿脱させて交換させてもよい。このようにバンドパスフィルタ２０，２１を光軸１８上に配置できれば、フィルタ切換機構１９の構成は限定されない。

また、第３のビームスプリッタ３６の反射透過率特性を図３に、バンドパスフィルタ２０，２１の透過率特性を図４、図５に示したが、これに限定することはなく、所望する波長域で所望する反射率あるいは透過率を有してよい。また、光学顕微鏡による取得範囲の設定は、最初にフォーカス位置ＺＬ、次にフォーカス位置ＺＨを設定したが、逆でも構わない。

次に、図７、図８を参照して本発明に係る第２の実施形態について説明する。
前述した図１（第１の実施形態）と、図１２に示す３次元形状観察装置と同一部材には同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図７は、第２の実施形態に係る３次元形状観察装置の構成図である。
本実施形態におけるステージ２００と、干渉対物レンズ３００と、顕微鏡本体４００は、図１２に示した３次元形状観察装置１００と略同一であるため詳細な説明は省略する。また、本実施形態における制御部５００と、表示部６００と、指示部７００と、駆動機構４０は、前述した第１の実施形態と略同一であるため詳細な説明は省略する。

本実施形態における相対距離は、第１の実施形態と同様に駆動機構４０、または手動によって調整され、相対距離の調整は、特に限定されない。

また、本実施形態において、第１の実施形態と同様に対物レンズ配置部であるレボルバ４５によって光学特性（例えばＮＡや倍率）の異なる複数の干渉対物レンズ３００が保持されていても良い。

なお、本実施形態における制御本体部５１は、レーザ光源１の照明強度、２次元走査機構４の走査、レーザ用受光素子１１の感度調節、白色光源１２の照明強度、第１の撮像素子１６の感度調節、第１の撮像素子１６のシャッタ速度、光軸上に配置する干渉対物レンズ３００を切り替えるためレボルバ４５を回転させる動作などを制御する。

また、制御本体部５１は、相対距離が変わった際にレーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得し、この出力信号を輝度情報（Ｉ）として処理する。これにより制御本体部５１は、サンプル１７の表面上にてピントのあった部分だけの輝度情報（Ｉ）を取得する。制御本体部５１は、この輝度情報（Ｉ）を演算し、演算結果からサンプル表面の光学的な特徴である表面情報を形成する。また、制御本体部５１は、相対距離が変わった際に第１の撮像素子１６から出力される出力信号を取得し、第１の撮像素子１６によって撮像された干渉像情報を算出する。また、制御本体部５１は、後述する動作によって干渉像情報から第１の撮像素子１６により取得されるサンプル１７の高さ情報を形成する。

メモリ５２と画像処理部５３は、第１の実施形態と略同様であるため詳細な説明については省略する。なお、本実施形態におけるメモリ５２は、上下位置と、下限位置と、取得範囲ｄ１と、取得範囲ｄ２と、減算範囲ＲＲＬと、減算範囲ＲＲＨと、加算範囲ＡＲＬと、加算範囲ＡＲＨと、同焦補正テーブルを記憶する。

本実施形態における３次元形状観察装置１００の動作方法について説明する。
まず、本実施形態における共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａの動作方法について説明する。
レーザ光源１から出射されたレーザ光２は、偏光ビームスプリッタ３を透過し、２次元走査機構４によって反射され、サンプル１７の表面に対して２次元方向に走査される。その際、走査されたレーザ光２は、瞳投影レンズ５を透過し、第１の結像レンズ６によって結像され、１／４波長板７を通過する。１／４波長板７を通過したレーザ光２は、第１のビームスプリッタ８によって反射される。反射されたレーザ光２は、第２のビームスプリッタ１４を透過し、対物レンズ３１によってサンプル１７の表面上に結像される。なお、レーザ光２は、第１のハーフミラー３２を透過する。

透過したレーザ光２は、回折により点（スポット）状の光を生じ、サンプル１７を照射する。

サンプル１７から反射されたレーザ光２（反射光）は、サンプル１７に入射した時と全く同じ経路を逆に通過して偏光ビームスプリッタ３に入射する。偏光ビームスプリッタ３に入射したレーザ光２は、偏光ビームスプリッタ３によって反射される。

偏光ビームスプリッタ３により反射されたレーザ光２は、第２の結像レンズ９へと導かれる。

レーザ光２は、第２の結像レンズ９によって点状に絞られ、ピンホール１０を通過する。上述したようにピンホール１０は、対物レンズ３１を通過したレーザ光２の結像位置（対物レンズ３１の焦点位置）と共役な位置に配置され、サンプル１７の表面上にピントのあったレーザ光２のみを通過させる。これにより、レーザ用受光素子１１には、対物レンズ３１によってサンプル１７の表面に集光され、サンプル１７の表面から反射され、ピンホール１０を通過したレーザ光２のみが受光される。このように、レーザ光２は、対物レンズ３１によりサンプル１７にて結像した場合のみ、ピンホール１０によって遮光されることなく、レーザ用受光素子１１にて受光される。レーザ用受光素子１１は、受光したレーザ光２の光量に応じた出力信号を制御本体部５１に出力する。

次に、本実施形態における干渉光学系４００ｂの動作方法について説明する。

白色光源１２から出射された白色光１３は、第２のビームスプリッタ１４によって図１５に示すように一定の分割比にて分割される。分割によって下方（干渉対物レンズ３００側）に反射された白色光１３は、対物レンズ３１を透過する。透過した白色光１３は、第１のハーフミラー３２によって分割される。分割によって第１のハーフミラー３２を透過した一方の白色光１３は、サンプル１７を照射する。また、分割によって反射した他方の白色光１３は、参照板３３の表面を照射する。参照板３３の表面は鏡面であるため、この白色光１３は、参照板３３によって反射される。

サンプル１７から反射した白色光１３は、第１のハーフミラー３２と、対物レンズ３１を透過する。また、参照板３３から反射した白色光１３は、第１のハーフミラー３２によって反射され、対物レンズ３１を透過する。これにより、サンプル１７の表面から反射した白色光１３と、参照板３３から反射した白色光１３は、干渉する。この干渉している白色光１３（干渉光）は、第２のビームスプリッタ１４と、第１のビームスプリッタ８を透過した後、第３の結像レンズ１５によって第１の撮像素子１６の撮像面に結像される。この白色光１３は、干渉像を有しており、第１の撮像素子１６は、干渉像（サンプル１７の表面画像に干渉縞が重なっている）を有した画像を撮像する。

第１の撮像素子１６は、撮像した画像に含まれる干渉像情報を出力信号として制御本体部５１に出力する。

制御本体部５１は、取得した出力信号から表面情報と高さ情報を形成する。形成された表面情報（表面光学像情報）と高さ情報は、メモリ５２に記憶される。画像処理部５３は、メモリ５２に記憶されている表面情報から全焦点画像を形成し、メモリ５２に記憶されている高さ情報から高さ画像を形成する。また、画像処理部５３は、全焦点画像と高さ画像を合成し、サンプル１７の３次元形状を示す３次元形状画像を形成する。表示部６００は、全焦点画像、高さ画像、３次元形状画像の少なくとも１つを表示する。

次に、高さ情報を取得するための取得範囲を設定する際の３次元形状観察装置１００の動作方法について説明する。
３次元形状画像を取得するために必要な光学特性（例えば観察視野）を有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置される。なお、図２に示すようにレボルバ４５によって複数の干渉対物レンズ３００が保持されている場合、サンプル１７の３次元形状を観察する際に使用する所望な光学特性を有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置される。

次に、指示部７００は、制御本体部５１にサンプル１７の表面における３次元形状画像の取得を指示する。これにより、制御本体部５１は、レーザ光源１を制御し、レーザ光２を出射させる。

レーザ光源１から出射されたレーザ光２は、上述したようにサンプル１７を照射し、サンプル１７から反射された後、レーザ用受光素子１１にて受光される。また、レーザ用受光素子１１は、制御本体部５１に出力信号を出力する。これにより、表示部６００には、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａによって取得された光学顕微鏡観察像を基に形成された観察画像（以下、光学顕微鏡観察画像と称する）が表示される。

制御本体部５１は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａによって取得された光学顕微鏡観察画像に基づいて駆動機構４０によって相対距離を調整し、サンプル１７にピントを合わせ、観察位置を調整し、フォーカス位置を調整する。

次に、制御本体部５１は、サンプル１７の高さ情報を取得するために取得範囲を設定する。つまり制御本体部５１は、上限位置と下限位置を設定する。

図８を参照して本実施形態における高さ情報の取得範囲の設定方法について説明する。
図８に示すようにサンプル１７は、高さの異なる面１７ａと面１７ｂを有している。また、図８は、面１７ａと面１７ｂに対応する共焦点レーザ走査型顕微鏡における光軸方向の位置とピンホール１０を通過するレーザ光２の光量との関係（以下、ＩＺカーブと称する）を示す。また図８は、面１７ａと面１７ｂに対応する干渉顕微鏡における光軸方向の干渉強度の変化を示す。本実施形態では、光軸方向における面１７ａから面１７ｂまでの表面形状を観察、または面１７ａから面１７ｂまでの高さを観察（計測）する場合について説明する。

制御本体部５１は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａによって取得された光学顕微鏡観察画像を基に面１７ａにピントを合わせる。面１７ａに対応する光軸方向における位置をフォーカス位置ＺＬとする。次に、制御本体部５１は、光学顕微鏡観察画像を基に面１７ａの輝度が下がったデフォーカス位置ＺＬＬまで駆動機構４０によって例えば干渉対物レンズ３００を移動させ、デフォーカスさせる。デフォーカス位置ＺＬＬは、フォーカス位置ＺＬよりも光軸方向において下方（ステージ２００側）に位置する。その際、指示部７００は、デフォーカス位置ＺＬＬを下限位置と設定（指定）する。メモリ５２は、このデフォーカス位置ＺＬＬが下限位置であることを記憶する。

次に、制御本体部５１は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａによって取得された光学顕微鏡観察画像を基に面１７ｂにピントを合わせる。面１７ｂに対応する光軸方向における位置をフォーカス位置ＺＨとする。次に、制御本体部５１は、光学顕微鏡観察画像を基に面１７ｂの輝度が下がったデフォーカス位置ＺＨＨまで例えば干渉対物レンズ３００を移動させ、デフォーカスさせる。デフォーカス位置ＺＨＨは、フォーカス位置ＺＨよりも光軸方向において上方（干渉対物レンズ３００側）に位置する。その際、指示部７００は、デフォーカス位置ＺＨＨを上限位置と設定（指定）する。メモリ５２は、このデフォーカス位置ＺＨＨが相対距離の上限位置であることを記憶する。

なお、制御本体部５１は、上限位置、下限位置を自動で設定してもよい。この場合、制御本体部５１は、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号（サンプル１７から反射したレーザ光の光量）の変位から上限位置と下限位置を設定する。制御本体部５１は、上限位置と下限位置を設定する際、制御本体部５１は、下限位置のみを設定し、次にレーザ用受光素子１１から出力される出力信号によって、高さ情報を取得しながら上限位置を設定する。

制御本体部５１は、設定されたデフォーカス位置ＺＬＬからデフォーカス位置ＺＨＨまでの範囲を、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａの取得範囲ｄ１として設定（算出）する。メモリ５２は、この取得範囲ｄ１を記憶する。取得範囲ｄ１（上限位置から下限位置までの範囲）が設定されると、制御本体部５１は、取得範囲ｄ１から予めメモリ５２に記憶された減算範囲ＲＲＬと、減算範囲ＲＲＨを減算し、この演算結果に加算範囲ＡＲＬと、加算範囲ＡＲＨを加算する。この減算範囲ＲＲＬと、減算範囲ＲＲＨと、加算範囲ＡＲＬと、加算範囲ＡＲＨは、所望する距離を有する。本実施形態における加算範囲ＡＲＬと、加算範囲ＡＲＨは、前述した第１の実施形態における加算範囲ＡＲＬと、加算範囲ＡＲＨと同じ距離であっても良い。減算範囲ＲＲＬと、加算範囲ＡＲＬはフォーカス位置ＺＬの下方に位置し、減算範囲ＲＲＨと、加算範囲ＡＲＨはフォーカス位置ＺＨの上方に位置する。制御本体部５１は、演算結果を取得範囲ｄ２として設定（算出）する。取得範囲ｄ２は、干渉光学系４００ｂの高さ情報取得範囲である。メモリ５２は、この取得範囲ｄ２を記憶する。

次に、減算範囲ＲＲＬ、減算範囲ＲＲＨ、加算範囲ＡＲＬ、加算範囲ＡＲＨについて説明する。
図８に示すようにＩＺカーブは、フォーカス位置ＺＨまたはフォーカス位置ＺＨ付近と、フォーカス位置ＺＬまたはフォーカス位置ＺＬ付近にてピークを有し、フォーカス位置ＺＨまたはフォーカス位置ＺＨ付近と、フォーカス位置ＺＬまたはフォーカス位置ＺＬ付近から離れるに従い徐々に減衰する。

制御本体部５１は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａにおけるＩＺカーブのピーク位置を取得するために、レーザ用受光素子１１から出力される出力信号を取得する際、フォーカス位置ＺＨまたはフォーカス位置ＺＨ付近と、フォーカス位置ＺＬまたはフォーカス位置ＺＬ付近の中からピーク位置を算出する。また、制御本体部５１は、ピーク位置に対する輝度情報（Ｉ）を算出する。画像処理部５３は、これらを基にして全焦点画像を形成する。

したがって、制御本体部５１は、サンプル１７の面に対してＩＺカーブのピーク位置を算出するために、面１７ａのフォーカス位置ＺＬから少なくとも減算範囲ＲＲＬだけ駆動機構４０によって干渉対物レンズ３００を光軸方向に移動させる。制御本体部５１は、減算範囲ＲＲＬだけ干渉対物レンズ３００を移動させた際、フォーカス位置ＺＬまたはフォーカス位置ＺＬ付近のＩＺカーブの状態をレーザ用受光素子１１から取得する。その際、制御本体部５１は、フォーカス位置ＺＬまたはフォーカス位置ＺＬ付近のＩＺカーブの状態の中から、ＩＺカーブのピーク位置を取得する。

また、制御本体部５１は、同様にサンプル１７の面１７ｂのフォーカス位置ＺＨから少なくとも減算範囲ＲＲＨだけ駆動機構４０によって干渉対物レンズ３００を光軸方向に移動させる。制御本体部５１は、減算範囲ＲＲＨだけ干渉対物レンズ３００を移動させた際、フォーカス位置ＺＨまたはフォーカス位置ＺＨ付近のＩＺカーブの状態をレーザ用受光素子１１から取得する。その際、制御本体部５１は、フォーカス位置ＺＨまたはフォーカス位置ＺＨ付近のＩＺカーブの状態の中から、ＩＺカーブのピーク位置を取得する。

このように、制御本体部５１は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａにおける高さ情報の取得範囲ｄ１を設定する際に、減算範囲ＲＲＬと、減算範囲ＲＲＨを取り込む必要がある。

また、干渉光学系４００ｂの取得範囲ｄ２において、制御本体部５１は、面１７ａ，１７ｂに対して干渉強度のピーク位置を算出する必要がある。そのため制御本体部５１は、面１７ａのフォーカス位置ＺＬから少なくとも加算範囲ＡＲＬだけ駆動機構４０によって干渉対物レンズ３００を光軸方向に移動させ、フォーカス位置ＺＬまたはフォーカス位置ＺＬ付近の干渉強度の状態を第１の撮像素子１６から取得する。その際、制御本体部５１は、フォーカス位置ＺＬまたはフォーカス位置ＺＬ付近の干渉強度の中から、干渉強度のピーク位置を取得する。

また、制御本体部５１は、同様に面１７ｂのフォーカス位置ＺＨから少なくとも加算範囲ＡＲＨだけ駆動機構４０によって干渉対物レンズ３００を光軸方向に移動させ、フォーカス位置ＺＨまたはフォーカス位置ＺＨ付近の干渉強度の状態を第１の撮像素子１６から取得する。その際、制御本体部５１は、フォーカス位置ＺＨまたはフォーカス位置ＺＨ付近の干渉強度の中から、干渉強度のピーク位置を取得する。

このように、制御本体部５１は、干渉光学系４００ｂにおける高さ情報の取得範囲ｄ２を設定する際に、減算範囲ＲＲＬと、減算範囲ＲＲＨを取り込む必要がある。

したがって、制御本体部５１は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａによって設定される取得範囲ｄ１から干渉光学系４００ｂによって設定される取得範囲ｄ２を算出する場合、取得範囲ｄ１から減算範囲ＲＲＬと減算範囲ＲＲＨを減算し、加算範囲ＡＲＬと加算範囲ＡＲＨを加算する。

共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａにおいて、減算範囲ＲＲＬと減算範囲ＲＲＨは、対物レンズ３１のＮＡに依存し、干渉光学系４００ｂにおいて、加算範囲ＡＲＬと加算範囲ＡＲＨは、白色光源１２の可干渉距離に依存する。

また、第１の実施形態と同様に共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａと干渉光学系４００ｂに同焦ずれが生じる場合、メモリ５２は、予め同焦ずれ量をテーブル（同焦補正テーブル）として記憶する。制御本体部５１は、取得範囲ｄ１と、減算範囲ＲＲＬと、減算範囲ＲＲＨと、加算範囲ＡＲＬと、加算範囲ＡＲＨと、同焦補正テーブルに基づいて取得範囲ｄ２、すなわち干渉光学系４００ｂによる高さ情報の取得範囲を算出する。

上記の高さ情報の取得範囲の設定が完了した時点で、制御本体部５１は、サンプル１７の表面形状の高さ情報の取得を開始する。干渉対物レンズ３００は、駆動機構４０によって光軸方向において取得範囲ｄ２を移動し、第１の撮像素子１６は順次白色光を撮像し、制御本体部５１は順次干渉像を取得し、高さ情報を形成する。

また、干渉対物レンズ３００は、駆動機構４０によって光軸方向において取得範囲ｄ１を移動し、レーザ用受光素子１１は順次レーザ光２を受光し、制御本体部５１は順次光学顕微鏡観察像を取得し、表面情報を形成する。

なお、干渉対物レンズ３００が取得範囲ｄ１を移動する動作と、干渉対物レンズ３００が取得範囲ｄ２を移動する動作は、同時、または、別々に行っても良い。

これにより、画像処理部５３は、上述したように全焦点画像と、高さ画像と、３次元形状画像を形成する。表示部６００は、全焦点画像と、高さ画像と、３次元形状画像の少なくとも１つを表示する。

このように、本実施形態の３次元形状観察装置１００は、干渉光学系４００ｂと、干渉光学系４００ｂとは異なる光学系（共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａ）の２つの光学系を有し、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａの観察光学系によって取得される光学顕微鏡観察画像を用いて、サンプル１７の観察位置の調整と、フォーカス位置の調整と、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａと干渉光学系４００ｂの両方の高さ情報の取得範囲を自動で設定できる。

従来の３次元形状観察装置の干渉光学系は、取得した観察画像に干渉縞が生じているために観察位置とフォーカス位置の調整に手間がかかり、操作性が悪く、サンプル１７の３次元形状画像を取得に対して時間がかかる。

しかしながら、本実施形態の３次元形状観察装置１００は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａの観察光学系によって取得される光学顕微鏡観察画像を用いる。この光学顕微鏡観察画像は、焦点深度が深く、干渉縞のない画像である。よって本実施形態の３次元形状観察装置１００は、観察位置の調整と、フォーカス位置の調整を容易に素早く行うことができる。

また、本実施形態の３次元形状観察装置１００は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａの観察光学系によって取得される光学顕微鏡観察画像から共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａと干渉光学系４００ｂの両方の高さ情報の取得範囲を設定することができる。これにより、本実施形態の３次元形状観察装置１００は、サンプル１７の３次元形状画像を短時間に容易に操作性良く取得することができる。

より詳細には、干渉光学系４００ｂによって高さ情報の取得範囲を設定する際に、干渉縞を探す作業は、手間と時間がかかる。本実施形態は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａの観察光学系によって干渉光学系４００ｂの高さ情報の取得範囲を設定することができる。そのため本実施形態は、干渉光学系４００ｂによって高さ情報の取得範囲を設定する必要はない。よって本実施形態は、干渉縞を探す作業を不用とし、サンプル１７の３次元形状画像を短時間に容易に操作性良く取得することができる。

また、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａの取得範囲の設定は、最初に下限位置（デフォーカス位置ＺＬＬ）、次に上限位置（デフォーカス位置ＺＨＨ）を設定したが、逆でも構わない。

また、図８に示したように本実施形態は、取得範囲ｄ１と、メモリ５２に記憶されている減算範囲ＲＲＬと、減算範囲ＲＲＨと、加算範囲ＡＲＬと、加算範囲ＡＲＨと、同焦補正テーブルから取得範囲ｄ２を算出し、高さ情報の取得を開始する。上述したように取得範囲ｄ２が自動で設定される場合、面１７ａ、フォーカス位置ＺＬ、デフォーカス位置ＺＬＬが自動で検出される。したがって、制御本体部５１は、減算範囲ＲＲＬ、減算範囲ＲＲＨを用いずに、検出されたフォーカス位置ＺＬ、デフォーカス位置ＺＬＬと加算範囲ＡＲＬと、加算範囲ＡＲＨおよび同焦補正テーブルに基づいて取得範囲ｄ２、すなわち干渉顕微鏡における光学系による高さ情報の取得範囲ｄ２を算出してもよい。

次に、図９を参照して本発明に係る第３の実施形態について説明する。
図９は、本発明の第３の実施形態に係る３次元形状観察装置の構成図である。
前述した図１に示す３次元形状観察装置（第１の実施形態）と、図７に示す３次元形状観察装置（第２の実施形態）と、図１２に示す３次元形状観察装置と、同一部材には同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施形態における３次元形状観察装置１００には、第２の実施形態における共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａの代わりに、共焦点ディスクスキャン型顕微鏡の共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃが配置されている。また、干渉光学系４００ｂにおいて、第２のビームスプリッタ１４の代わりに、第５のビームスプリッタ３７が配置されている。第５のビームスプリッタ３７の反射透過率特性は、図３に示す第３のビームスプリッタ３６の反射透過率特性と略同一である。これ以外の構成は、第２の実施形態と略同様であるため詳細な説明は省略する。

共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃには、照明光である白色光（第２の光）７０を出射する白色光源７１と、白色光源７１から出射された白色光７０を反射させ、また、後述するサンプル１７から反射した白色光７０を透過させる第３のハーフミラー７２が順次配置されている。

なお、白色光源７１は、例えば、可視域から赤外域までの広い領域の光を出射するハロゲンランプなどである。

また、共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃには、第３のハーフミラー７２の反射光路上に、第３のハーフミラー７２によって反射された反射光を通過させる回転ディスク７３と、回転ディスク７３を通過した白色光７０を結像させる第５の結像レンズ７８と、第５の結像レンズ７８によって結像された白色光７０を干渉対物レンズ３００側に反射させる第４のビームスプリッタ７７が順次配置されている。

回転ディスク７３は、マスクパターンを有する例えばニポウディスクである。この回転ディスク７３には、例えば螺旋状に複数の図示しないピンホールが板厚方向に形成されている。白色光７０（可視光）は、このピンホールを通過することで第５の結像レンズ７８に入射する。

回転ディスク７３は、例えばモータである第２の駆動部７４によって中心軸７３ａを中心に所望する回転速度で回転する。第２の駆動部７４は、制御本体部５１によって制御される。

第４のビームスプリッタ７７は、図１０に示す反射透過率特性を有し、略１００％の可視光を反射させ、略１００％の赤外光を透過させる。

また、共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃには、第３のハーフミラー７２の透過光路上に、第３のハーフミラー７２を透過した可視光を結像する第４の結像レンズ７５と、第４の結像レンズ７５の結像位置に配置され、第４の結像レンズ７５によって結像される可視光を撮像する第２の撮像素子７６が配置されている。

第２の撮像素子７６には、例えばＣＣＤカメラやＣＭＯＳセンサなどが用いられる。また、第２の撮像素子７６は、可視光を撮像した際、制御本体部５１に出力信号を出力する。

次に、３次元形状観察装置１００における共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃの動作方法について説明する。
３次元形状画像を取得するために必要な光学特性（例えば観察視野）を有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置される。なお、図２に示すようにレボルバ４５によって複数の干渉対物レンズ３００が保持されている場合、サンプル１７の３次元形状を観察する際に使用する所望な光学特性を有する干渉対物レンズ３００が光軸上に配置される。

次に、指示部７００は、制御本体部５１にサンプル１７の表面における３次元形状画像の取得を指示する。これにより制御本体部５１は、白色光源７１を制御し、白色光７０を出射させる。また制御本体部５１は、第２の駆動部７４を制御し、回転ディスク７３を所望する回転速度で回転させる。

白色光源７１から出射された白色光７０は、第３のハーフミラー７２によって反射される。反射された白色光７０は、回転している回転ディスク７３を照射する。その際、白色光７０は、ピンホールを通過し、第５の結像レンズ７８によって結像され、第４のビームスプリッタ７７に入射する。その際、第４のビームスプリッタ７７に白色光７０における可視光のみがよって第５のビームスプリッタ３７に反射される。

反射された可視光は、第５のビームスプリッタ３７と、対物レンズ３１と、第３のビームスプリッタ３６透過し、サンプル１７を照射する。

サンプル１７から反射した可視光は、上述した第３のビームスプリッタ３６の反射透過率特性に基づいて再び第３のビームスプリッタ３６と、対物レンズ３１と、第５のビームスプリッタ３７と、を透過し、第４のビームスプリッタ７７によって反射される。

第４のビームスプリッタ７７によって反射された可視光は、第５の結像レンズ７８を透過し、回転ディスク７３のピンホールを通過し、第３のハーフミラー７２を透過し、第４の結像レンズ７５によって結像される。結像された可視光は、第２の撮像素子７６によって撮像される。第２の撮像素子７６は、受光した可視光の光量に応じた出力信号を制御本体部５１に出力する。

本実施形態の３次元形状観察装置１００における干渉光学系４００ｂの動作方法は、第１、または第２の実施形態と略同様であるため、詳細な説明は省略する。

これにより、制御本体部５１は、第１の撮像素子１６と第２の撮像素子７６から取得した出力信号から表面情報と高さ情報を形成する。形成された表面情報（表面光学像情報）と高さ情報は、メモリ５２に記憶される。画像処理部５３は、メモリ５２に記憶されている表面情報から全焦点画像を形成し、メモリ５２に記憶されている高さ情報から高さ画像を形成する。また、画像処理部５３は、全焦点画像と高さ画像を合成し、サンプル１７の３次元形状を示す３次元形状画像を形成する。表示部６００は、全焦点画像と、高さ画像と、３次元形状画像の少なくとも１つを表示する。

また、本実施形態において、サンプル１７の高さ情報を取得するために取得範囲を設定する際の３次元形状観察装置１００の動作方法と、高さ情報の取得範囲の設定方法は、第２の実施形態における共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａの代わりに共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃを配置したため、第２の実施形態と略同様である。よって、詳細な説明は省略する。

このように、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａの代わりに共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃが配置されると、本実施形態の３次元形状観察装置１００は、上述した第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃは、例えば第１の実施形態の光学顕微鏡光学系よりも高分解な共焦点画像を取得することができる。また、共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃは、例えば第２の実施形態における共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａでは取得できないカラーを有する共焦点画像を取得することができる。

また、共焦点ディスクスキャン型顕微鏡は、共焦点レーザ走査型顕微鏡に配置されるガルバノスキャナなどの高価な光学デバイスが不要である。よって、本実施形態の３次元形状観察装置１００は、第２の実施形態の３次元形状観察装置１００よりも安価にすることができる。

また、共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃは、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａに比べてサンプル１７の３次元形状を取得するための取得時間を短くすることができる。

このように、本実施形態における３次元形状観察装置１００は、共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃと干渉光学系４００ｂを組み合わせることで、第２の実施形態とは異なる上述した効果を得ることができる。

なお、本実施形態における３次元形状観察装置１００には、白色光源１２，７１は配置されているが、白色光源７１のみを配置しても構わない。この場合、第３のハーフミラー７２は、白色光源７１から出射された白色光７０を所望する分割比によって反射、及び透過させる反射透過率特性を有する。また第３のハーフミラー７２の透過光路上には、第３のハーフミラー７２を透過した白色光を第５のビームスプリッタ３７に向けて反射させる例えばミラーなどの反射部材が配置される。

また、本実施形態における３次元形状観察装置１００には、共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃと干渉光学系４００ｂの動作を別々にして、動作している一方にのみ白色光７０を導入する光路切換え機構が配置されていても良い。これにより制御本体部５１が取得する干渉像のＳ／Ｎを向上させることも可能である。

また、第４のビームスプリッタ７７は、所望する波長を境に所望する比率で光を分割（反射、透過）してもよい。

また、第３のビームスプリッタ３６の反射透過率特性は、図３に示したがこれに限定することはなく、所望する波長を境に所望する比率で光を分割（反射、透過）してもよい。

なお、上述した第１乃至第３の実施形態における第１の変形例として、干渉光学系における観察光学系と、干渉光学系以外の光学系の観察光学系は、それぞれ異なる対物レンズを有していても良い。干渉光学系とは、例えば第１の実施形態のバンドパスフィルタ２０が光軸上に配置された際の干渉光学系や、第２乃至第３の実施形態の干渉光学系４００ｂである。また、干渉光学系以外の光学系とは、例えば第１の実施形態のバンドパスフィルタ２１が光軸上に配置された際の光学顕微鏡光学系や、第２の実施形態における共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系４００ａや、第３の実施形態における共焦点ディスクスキャン型顕微鏡における共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系４００ｃである。

図１１に示すように、干渉光学系の観察光学系に用いられる対物レンズ３１ａ（第１の対物レンズ）を有する干渉対物レンズ３００と、干渉光学系以外の光学系の観察光学系に用いられる対物レンズ３１ｂ（第２の対物レンズ）とは、対物レンズ配置部であるレボルバ４５によって保持されている。レボルバ４５は、対物レンズ３１ｂ、または対物レンズ３１ａのいずれか１つを光軸上に配置する。対物レンズ３１ａ，３１ｂは、手動、または自動で切り換る。

駆動機構４０は、光軸上に配置される干渉対物レンズ３００または対物レンズ３１ｂと、サンプル１７の光軸方向における相対距離を変えて調整する。詳細にはなお駆動機構４０は、レボルバ４５を光軸に沿って移動させ、光軸上に配置されている干渉対物レンズ３００または対物レンズ３１ｂと、サンプル１７との相対距離を変える。もちろんステージ２００を光軸１８に沿って移動させて相対距離を変えても良い。

また、メモリ５２は、干渉対物レンズ３００に設けられている対物レンズ３１ａと、対物レンズ３１ｂとで生じる視野ずれに対する補正値を記憶する。制御本体部５１は、対物レンズが切り換わった際に補正値を基に視野ずれを補正すればよい。

また、図１１に示すレボルバ４５の構成は、図２に示すレボルバ４５の構成と組み合わせても良い。また、レボルバ４５は、対物レンズ３１ａを有する複数の干渉対物レンズ３００と、複数の対物レンズ３１ｂを保持していても良い。

第１の実施形態において、レボルバ４５は所望する１つの対物レンズ３１ｂを光軸上に配置する。この状態で制御本体部５１が、観察位置の調整と、フォーカス位置の調整と、高さ情報の取得範囲を設定する。次に、レボルバ４５は、対物レンズ３１ｂから対物レンズ３１ａに切り換えて光軸上に配置する。制御本体部５１は、画像処理部５３を制御して、または、駆動機構４０によってステージ２００やレボルバ４５を介して干渉対物レンズ３００を平面方向に移動させて、視野ずれを自動調整する。調整後、制御本体部５１は、高さ情報を取得する。

第１乃至第３の実施形態は、干渉光学系の観察光学系と、干渉光学系以外の光学系の観察光学系において兼用される対物レンズ３１を使用している。よって、干渉光学系の観察光学系に使用される波長域（赤外光の波長域）と干渉光学系以外の光学系の観察光学系に使用される波長域（可視光の波長域）が離れている場合、広波長域の光を全てサンプル１７に結像させる高性能な対物レンズが配置される必要があり、３次元形状観察装置１００は高価になってしまう。

しかしながら、本変形例の３次元形状観察装置１００は、対物レンズ３１ｂ、または、対物レンズ３１ａを配置することができるために、高性能な対物レンズを配置する必要がなく、３次元形状観察装置１００を安価にすることができる。

なお、上述した第１乃至第３の実施形態、第１の変形例において、干渉対物レンズ３００は、ミラウ型の干渉対物レンズとしたが、これに限定する必要はなく、図１３に示すようにマイケルソン型の干渉対物レンズでも基本構成、動作、作用は同様である。

図１は、第１の実施形態に係る３次元形状観察装置の構成図である。 図２は、複数の干渉対物レンズを保持するレボルバの概略図である。 図３は、第１の実施形態における第３のビームスプリッタ３６と、第３の実施形態における第５のビームスプリッタ３７の反射透過率特性を示す図である。 図４は、バンドパスフィルタ２０の透過率特性を示す図である。 図５は、バンドパスフィルタ２１の透過率特性を示す図である。 図６は、面１７ａと面１７ｂに対応する干渉顕微鏡における光軸方向の干渉強度の変化を示す図である。 図７は、第２の実施形態に係る３次元形状観察装置の構成図である。 図８は、ＩＺカーブと、面１７ａと面１７ｂに対応する干渉顕微鏡における光軸方向の干渉強度の変化を示す図である。 図９は、第３の実施形態に係る３次元形状観察装置の構成図である。 図１０は、第４のビームスプリッタ７７の反射透過率特性を示す図である。 図１１は、対物レンズ３１ｂと、対物レンズ３１ａを有する干渉対物レンズ３００を保持するレボルバ４５の概略図である。 図１２は、従来の３次元形状観察装置の構成を示す構成図である。 図１３は、マイケルソン型の干渉対物レンズの構成図である。 図１４は、第１のビームスプリッタ８の反射透過率特性を示す図である。 図１５は、第２のビームスプリッタ１４と、第２のハーフミラー２３と、第１のハーフミラー３２と、対物用ビームスプリッタ３４の反射透過率特性を示す図である。

符号の説明

１…レーザ光源、２…レーザ光、３…偏光ビームスプリッタ、４…２次元走査機構、５…瞳投影レンズ、６…第１の結像レンズ、７…１／４波長板、８…第１のビームスプリッタ、９…第２の結像レンズ、１０…ピンホール、１１…レーザ用受光素子、１２…白色光源、１３…白色光、１４…第２のビームスプリッタ、１５…第３の結像レンズ、１６…第１の撮像素子、１７…サンプル、１７ａ，１７ｂ…面、１８…光軸、１９…フィルタ切換機構、２０，２１…バンドパスフィルタ、２２…第１の駆動部、２３…第２のハーフミラー、３１…対物レンズ、３２…第１のハーフミラー、３３…参照板、３６…第３のビームスプリッタ、３７…第５のビームスプリッタ、４０…駆動機構、４５…レボルバ、５１…制御本体部、５２…メモリ、５３…画像処理部、１００…３次元形状観察装置、２００…ステージ、３００…干渉対物レンズ、４００…顕微鏡本体、４００ａ…共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系、４００ｂ…干渉光学系、４００ｃ…共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系、５００…制御部、６００…表示部、７００…指示部。

Claims (12)

1. 光を出射する光源と、
   前記光源から出射された前記光をサンプルに照射する対物レンズと、
   前記対物レンズと前記サンプルの間に配置され、前記対物レンズを透過した光を分割することで一方の前記光を透過させ、他方の前記光を反射させる光分割部材と、
   前記光分割部材によって分割された光路上に配置され、前記光分割部材から反射された他方の前記光によって照射される参照面と、
   を有する干渉対物レンズと、
   干渉しあう前記サンプルから反射する前記光と前記参照面から反射する前記光を結像させて干渉像を観察する第１の観察光学系と、
   を有する干渉光学系と、
   前記干渉対物レンズを前記干渉光学系と兼用し、前記サンプルの表面情報を観察する第２の観察光学系とを有する、前記干渉光学系とは異なる光学系と、
   前記干渉対物レンズと前記サンプルとの光軸方向における相対距離を調整する移動機構と、
   前記移動機構が前記相対距離を調整する際に、前記第２の観察光学系によって観察される前記表面情報を基に前記光学系における前記サンプルの高さ情報を取得するための第１の取得範囲を算出し、算出された前記第１の取得範囲から前記干渉光学系における前記サンプルの高さ情報を取得するための第２の取得範囲を算出する制御部と、
   を具備することを特徴とする３次元形状観察装置。
2. 光を出射する光源と、
   光軸上に配置された際に、前記光源から出射された前記光をサンプルに照射する第１の対物レンズと、
   前記第１の対物レンズと前記サンプルの間に配置され、前記第１の対物レンズを透過した光を分割することで一方の前記光を透過させ、他方の前記光を反射させる光分割部材と、
   前記光分割部材によって分割された光路上に配置され、前記光分割部材から反射された他方の前記光によって照射される参照面と、
   を有する干渉対物レンズと、
   干渉しあう前記サンプルから反射された前記光と前記参照面から反射された前記光を結像させて干渉像を観察する第１の観察光学系と、
   を有する干渉光学系と、
   前記第１の対物レンズを有する前記干渉対物レンズとは異なる第２の対物レンズを有し、前記サンプルの表面情報を観察する第２の観察光学系とを有する、前記干渉光学系とは異なる光学系と、
   前記光軸上に配置される前記干渉対物レンズまたは前記第２の対物レンズと前記サンプルとの光軸方向における相対距離を調整する移動機構と、
   前記第２の対物レンズが前記光軸上に配置され、前記移動機構が前記相対距離を調整する際に、前記第２の観察光学系によって観察される前記表面情報を基に前記光学系における前記サンプルの高さ情報を取得するための第１の取得範囲を算出し、算出された前記第１の取得範囲から前記干渉光学系における前記サンプルの高さ情報を取得するための第２の取得範囲を算出する制御部と、
   を具備することを特徴とする３次元形状観察装置。
3. 前記光源は、低コヒーレントである前記光を出射することを特徴とする請求項１、または２に記載の３次元形状観察装置。
4. 前記光学系は、光学顕微鏡光学系であることを特徴とする請求項１、または２に記載の３次元形状観察装置。
5. 前記光学系は、共焦点光学系であることを特徴とする請求項１、または２に記載の３次元形状観察装置。
6. 前記共焦点光学系は、共焦点レーザ走査型顕微鏡光学系、または共焦点ディスクスキャン型顕微鏡光学系であることを特徴とする請求項５に記載の３次元形状観察装置。
7. 前記干渉光学系の可干渉距離に依存し、前記第１の取得範囲に対して加算される加算範囲を記憶する記憶部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記第１の取得範囲と前記加算範囲から前記第２の取得範囲を算出することを特徴とする請求項１、または２に記載の３次元形状観察装置。
8. 前記記憶部は、さらに同焦補正テーブルを記憶し、
   前記制御部は、前記第１の取得範囲と、前記加算範囲と、前記同焦補正テーブルから前記第２の取得範囲を算出することを特徴とする請求項７に記載の３次元形状観察装置。
9. 前記対物レンズの光学特性に依存し、前記第１の取得範囲に対して減算される減算範囲と、前記干渉光学系の可干渉距離に依存し、前記第１の取得範囲に対して加算される加算範囲を記憶する記憶部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記第１の取得範囲と、前記減算範囲と、前記加算範囲から前記第２の取得範囲を算出することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状観察装置。
10. 前記第２の対物レンズの光学特性に依存し、前記第１の取得範囲に対して減算される減算範囲と、前記干渉光学系の可干渉距離に依存し、前記第１の取得範囲に対して加算される加算範囲を記憶する記憶部と、
    を有し、
    前記制御部は、前記第１の取得範囲と、前記減算範囲と、前記加算範囲から前記第２の取得範囲を算出することを特徴とする請求項２に記載の３次元形状観察装置。
11. 前記記憶部は、さらに同焦補正テーブルを記憶し、
    前記制御部は、前記第１の取得範囲と、前記加算範囲と、前記減算範囲と、前記同焦補正テーブから前記第２の取得範囲を算出することを特徴とする請求項９乃至請求項１０に記載の３次元形状観察装置。
12. 前記干渉対物レンズと、前記第２の対物レンズを保持し、前記干渉対物レンズ、または前記第２の対物レンズのどちらか一方を前記光軸上に配置する対物レンズ保持部と、
    を有することを特徴とする請求項２に記載の３次元形状観察装置。

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