JP2009145774A - レーザ走査型顕微鏡及びその表面形状の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で高精度且つ高速に高さ情報を測定可能な走査型レーザ顕微鏡を提供することを課題とする。
【解決手段】光偏向器９により被検物３上をライン状に走査して得られる１ライン分の高さプロファイルを、その走査方向に所定量だけずらしながら複数取得する。演算処理部１９は、取得した複数の高さプロファイルを繋ぎ合わせて１つのプロファイルを求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ走査型顕微鏡に関し、更に詳しくはレーザ走査型顕微鏡により複数に分割した領域の高さ情報や輝度画像を繋ぎ合わせる技術に関する。

３次元形状を非接触で測定する装置としてレーザ走査型顕微鏡が知られている。
レーザ走査型顕微鏡は、対物レンズでスポット状に集光したレーザ光により被検物上を２次元的に走査し、その反射光を対物レンズの焦点位置の共役な位置に配置した共焦点絞りを介して受光する。この共焦点絞りにより焦点の合った部分の光しか受光されないので、合焦部分のみが観察できる。

この原理を利用して、対物レンズと被検物の相対距離Ｚを変えながら、合焦位置を被検物面全体に渡り求めることで被検物全面の高さ測定が行われる。
この測定原理では焦点位置を求める手法なので、高精度な測定のためには焦点深度の小さな、つまり倍率の大きい対物レンズを使う必要がある。

この場合、一度に測定できる範囲が狭くなってしまうので、所望の測定領域をいくつかの細かな領域に分割して測定を行い、それらの測定データを面方向につなぎ合わせることで、測定の縦、横の分解能を維持したまま、測定視野を大きくすることが行われている。

複数の画像を繋ぎ合わせて測定画像を形成する非接触型の装置の例としては、特許文献１がある。特許文献１では、複数の測定画像に分割して撮影し、各測定画像に対して干渉縞を利用して形状データを算出し、形状データが最も合致するように画像を繋ぎ合わせている。

一方、大きな測定領域の高さ情報を比較的簡単に測定できる装置として、触針式の粗さ計がある。
触針式粗さ計は、触針と被検物を相対移動させながら、触針で試料表面をトレースすることで被検物の高さ情報を得るものである。
特許第３８３５５０５号公報

上述したような非接触方式のレーザ走査型顕微鏡で測定した場合、所望の測定領域が大きくなると、場合によっては数十枚、数百枚の分割画像が必要となり、測定に非常に多くの時間を要してしまう。

さらにはこれらのデータ容量は非常に大きなものなので、つなぎ合せ処理にも多くの時間と大きな作業用のメモリ領域が必要で、高性能な演算装置、大容量のメモリ装置が必要となり、高価な装置となる。

触針式表面粗さ計では、測定範囲を大きく取ることは出来るが、接触式なので被検物表面に傷を付けてしまうおそれがある。また、触針を測定したい微小な領域に位置合わせを行なうことが困難であり、更にゴミや異物の存在により特異な測定結果が出ても、その原因が分からない、といった問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するレーザ走査型顕微鏡及びその表面形状の測定方法を提供することを目的とする。

本発明による走査型レーザ顕微鏡は、レーザ光源からの光を対物レンズを通して被検物に集光すると共に被検物の面方向にそれぞれ独立に前記レーザ光を走査可能な光偏向部と、対物レンズの焦点位置と共役な位置に配置された光学絞りを通過する被検物からの反射光量を検出する光検出部と、被検物と対物レンズの光軸方向の相対距離を変えるＺ走査部と、前記Ｚ走査部により相対距離を変化させた際の、前記レーザ光源を被検物上に走査する際に得られる光検出器からの輝度出力が最大値となる前記相対距離を求めることで、被検物の各走査ポイントにおける高さ情報を求める制御部を有するレーザ走査型顕微鏡において、前記光偏向器により被検物上をライン状に走査して得られる１ライン分の高さプロファイルをその走査方向に所定量だけずらしながら複数取得し、複数の前記高さプロファイルから走査方向に１つのプロファイルを求める演算処理部を、備えることを特徴とする。

また本発明による走査型レーザ顕微鏡の別の形態は、レーザ光源からの光を対物レンズを通して被検物に集光すると共に被検物の面方向にそれぞれ独立に前記レーザ光を走査可能な光偏向部と、対物レンズの焦点位置と共役な位置に配置された光学絞りを通過する被検物からの反射光量を検出する光検出部と、被検物と対物レンズの光軸方向の相対距離を変えるＺ走査機構と、前記Ｚ走査機構により相対距離を変化させた際の、前記レーザ光源を被検物上に走査する際に得られる光検出器からの輝度出力が最大値となる前記相対距離を求めることで、被検物の各走査ポイントにおける高さ情報を求める制御部と、を有するレーザ走査型顕微鏡において、前記レーザ走査型顕微鏡の光学系内部に前記対物レンズを共用する形で配置された顕微鏡の照明光学系と、前記照明光学系からの光により撮像を行なう２次元撮像部と、前記光偏向部により被検物上をライン状に走査して得られる１ライン分の高さプロファイルを前記走査の方向に所定量だけずらしながら複数取得し、前記高さプロファイルを取得する際に、前記２次元撮像部により輝度画像を取得し、複数の前記高さプロファイルと前記輝度画像を基に、１つの高さプロファイルおよび１つの輝度画像を求める演算処理部と、を備えることを特徴とする。

さらに本発明によるレーザ走査型顕微鏡装置における表面形状の測定方法は、レーザ光源からの光を対物レンズを通して被検物に集光すると共に被検物の面方向にそれぞれ独立に前記レーザ光を走査可能な光偏向部と、対物レンズの焦点位置と共役な位置に配置された光学絞りを通過する被検物からの反射光量を検出する光検出部と、被検物と対物レンズの光軸方向の相対距離を変えるＺ走査機構と、前記Ｚ走査機構により相対距離を変化させた際の、前記レーザ光源を被検物上に走査する際に得られる光検出器からの輝度出力が最大値となる前記相対距離を求めることで、被検物の各走査ポイントにおける高さ情報を求める制御部とを有するレーザ走査型顕微鏡による被検物の表面形状の測定方法であって、被検物の顕微鏡画像の中の測定したい場所を操作者に指示させ、前記指示した場所を通る１ライン分の高さプロファイルを測定し、測定した高さプロファイルの走査方向に、被検物と前記対物レンズとの位置を、前記走査方向に所定距離移動させると共に、前記測定した高さプロファイルの延長線上の高さプロファイルを測定し、前記移動した長さが特定値に達するまで、前記移動と前記測定した高さプロファイルの延長線上の高さプロファイルを測定を繰り返し、前記測定した複数の高さプロファイルを接続し連続した１つの高さプロファイルデータを生成することを特徴とする。

また本発明による別の形態レーザ走査型顕微鏡装置における表面形状の測定方法は、レーザ光源からの光を対物レンズを通して被検物に集光すると共に被検物の面方向にそれぞれ独立に前記レーザ光を走査可能な光偏向部と、対物レンズの焦点位置と共役な位置に配置された光学絞りを通過する被検物からの反射光量を検出する光検出部と、被検物と対物レンズの光軸方向の相対距離を変えるＺ走査機構と、前記Ｚ走査機構により相対距離を変化させた際の、前記レーザ光源を被検物上に走査する際に得られる光検出器からの輝度出力が最大値となる前記相対距離を求めることで、被検物の各走査ポイントにおける高さ情報を求める制御部とを有するレーザ走査型顕微鏡による被検物の表面形状の測定方法であって、被検物の顕微鏡画像の中の測定したい場所を操作者に指示させ、前記指示させた場所を通る１ライン分の高さプロファイルを測定すると共に、当該測定した位置での２次元輝度画像を撮像し、前記１ラインの高さプロファイルを測定時に走査した方向に被検物と前記対物レンズとの位置を所定距離相対移動させ、前記相対移動させた位置において、前記測定した１ラインの高さプロファイルの延長線上の高さプロファイルを測定すると共に、当該測定した位置での２次元輝度画像を撮像し、前記相対移動させた距離が特定値以上となるまで前記延長線上の高さプロファイルを測定及び当該測定した位置での２次元輝度画像を撮像を繰り返し、前記測定した複数の前記高さプロファイルおよび前記２次元輝度画像を接続し、連続した１つの高さプロファイルデータおよび連続した画像を生成することを特徴とする。

本発明によれば、所望の測定領域が大きくなり、数十枚、数百枚の分割画像が必要となっても面で同じ領域を測定する場合の測定時間に比べ遥かに短時間で高さプロファイルを測定できる。

また、これらのデータは面でのデータの接続に比べ容量が少なくて済むので、メモリ容量が少なく、かつ高速に各種演算が可能となり、高価な演算装置や大容量のメモリを必要とせず安価に実現することが出来る。

更に表面粗さ測定、レンズの面形状測定といった必ずしも面での測定を必要としない場合に余分な面での形状データを時間をかけて取得しなくても、求める測定結果を得られる。

また、触針式粗さ計では不可能な、微細領域を通る１ラインの測定が簡単に行え、かつそのライン上に存在するゴミなどの特異物や傷などの存在も識別可能であり、データの解析効率が向上できる。

以下に図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態におけるレーザ走査型顕微鏡の構成を示す図である。
同図のレーザ走査型顕微鏡１００は、平行光１を発するレーザ光源２と、平行光１を所望の方向に反射させる２次元光偏向器９を有する。

２次元光偏向器９は、その反射面の方向を独立に変更可能であり、後述する制御部１６からの偏向タイミング指示を受けてその偏向角度θｘ、θｙが変わるものである。なお図１では、θｘ方向にだけ偏向された光だけを光線として図示している。

また、レーザ走査型顕微鏡１００は、２次元光偏向器９で反射された平行光束の径を拡大投影する瞳投影レンズ８と、瞳投影レンズ８の焦点位置付近を後ろ側の焦点位置２３となるように配置された対物レンズ５を有し、対物レンズ５の前側焦点位置付近には被検物３が配置される。

また、レーザ光源２と２次元光偏向器９との間には、第１のビームスプリッタ１０が配置され、その反射光路側には結像レンズ１１、第２のビームスプリッタ１２が配置される。第２のビームスプリッタ１２の透過光路側の結像レンズ１１の焦点位置には、共焦点絞り１３が、そして共焦点絞り１３の後ろ側には第１の光ディテクタ１４が配置される。また、第２のビームスプリッタ１２の反射光路側の結像レンズ１１の焦点位置には第２の光ディテクタ１５が配置される。

対物レンズ５は、その光軸６と平行な方向に移動可能なＺ走査ステージ７に固定されている。被検物３は、２次元光偏向器９の走査方向θｘ方向と平行な方向に移動可能なステージ装置４に設置される。ステージ装置４及びＺ走査ステージ７には、その移動距離を読み取るための第１、第２の変位計２４、２５が備わっている。

制御部１６は、コンピュータ１７と接続され、コンピュータ１７に接続された指示入力部２０（例えばキーボードやポインティングデバイス等）から入力指示を受け、ステージ装置４、Ｚ走査ステージ７、及び２次元光偏向器９への制御を行う。また制御部１６は、第１、第２の光ディテクタ１４、１５で得られた輝度値や、第１、第２の変位計２４、２５からの変位（座標値）を受取り、コンピュータ１７にこれらのデータを伝える。

コンピュータ１７には、測定結果や測定条件等の表示する表示部２１や、ハードディスクやＵＳＢメモリ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ、フレキシブルディスクなどの外部記憶部２２が接続される。また、コンピュータ１７の内部には、制御部１６からのデータを一時的に記憶したり、演算結果を記憶するための記憶部１８と、各種演算を行う演算処理部１９を備える。

レーザ光源２から発した平行光１は、第１のビームスプリッタ１０を透過し、２次元光偏向器９で反射される。２次元偏向器９で反射した光の出射角度と、被検物３上での関係については後述する。

様々な方向に偏向された反射光は、瞳投影レンズ８で拡大され、対物レンズ５の後ろ側の焦点位置２３に集光された後に対物レンズ５へと入射する。対物レンズ５に入射した光は被検物３の１点をスポット状に照明する。

このスポット状の光は、被検物３の上で図２に示すような軌跡にて走査される。これは一般にラスタスキャンと呼ばれる方法で、２次元光偏向器９のθｘ、θｙの走査がそれぞれ図２のＸ方向、Ｙ方向の走査に対応する。この走査方法ではθｘ方向には高速に、θｙはそれよりも低速な走査が行われているが、このような走査に適した機構として例えば高速なθｘ走査には共振ガルバノミラー、低速なθｙ走査にはガルバノミラー等が用いられる。

被検物３で反射した光は、再び対物レンズ５、瞳投影レンズ８を通り、２次元光偏向器９で反射され、第１のビームスプリッタ１０で反射する。そして結像レンズ１１にて集光された光は、第２のビームスプリッタ１２へと入射し、そこを透過した光は、共焦点絞り１３に入射し、通過できた光は、第１の光ディテクタ１４で受光される。

ここで、共焦点絞り１３を通過できる光は、合焦位置の光のみである。一方、第２のビームスプリッタを反射した光は、そのまま第２の光ディテクタ１５で受光される。
２次元光偏向器９の動作と共に変化する第１、第２の光ディテクタで受光された光は、制御部１６に伝送され、制御部１６にて発した２次元光偏向器９への偏向タイミング指示信号に応じて輝度画像を構築し、その結果はコンピュータ１７を経由して表示部２１にリアルタイムで表示される。

表示する画像が、第１の光ディテクタ１４の輝度情報を基にしたものであれば、それは共焦点画像（以下ＣＦ画像）であり、第２光ディテクタ１５の輝度情報を基にしたものであればそれは非共焦点画像（以下ＮＣＦ画像）となる。

Ｚ走査ステージ７により対物レンズ５と被検物３の相対距離を変えながら（以下ではこの動作をＺ走査と呼ぶ）ＣＦ画像を取得すると、被検物３の上のある１点では図３のような輝度変化曲線となる（以下ではこの輝度変化曲線をＩＺ曲線と呼ぶ）。

ＩＺ曲線のピークを与えるＺ位置Ｚ０を各測定ポイント毎に求めることで、被検物３の高さを測定することができる。ＩＺ曲線のＺ座標（Ｚ）は、第１の変位計２４からの座標値が、輝度値（Ｉ）は第１の光ディテクタ１４で得られた値が用いられ、これらは共に制御部１６を経由してコンピュータ１７に伝送され、演算処理部１９によってピーク位置の検出が行われる。

ピーク位置の検出には、離散的なＺ走査間隔により得られたデータのうち、最大輝度を与えるＺ座標を同定しても良いし、または離散的な測定ポイントから補間等の方法でサンプリング点以外のピーク位置を推定しても良い。

また、Ｚ走査する手段としては、図１の例では対物レンズ５を動かして被検物３との相対距離を変化させたが、対物レンズ５の位置は固定で被検物３を光軸６方向に動かすための走査機構も設けてもよく、対物レンズ５と被検物３との相対距離を変化させることの出来る機構であれば、なんでも良い。

以下では、被検物の表面粗さを測定する場合を例に、その詳細な動作について説明する。
図４に示すように被検物３の表面粗さを測定する場合は、所望の測定領域をレーザ走査型顕微鏡の観察可能な視野の大きさに合わせて分割する。

図４ではＡ１、Ａ２、Ａ３の３つの分割領域に分割し、それぞれの分割領域は隣り合う２枚が互いにオーバラップする領域が設けられている。
Ａ１領域を観察している状態で２次元光偏向器９のθｙ方向の走査は行わず、θｘ方向の走査（以下Ｘ走査）だけを行う。このとき被検物３の上ではθｘ方向に対応するＡ１領域内の１ラインだけが走査される。

Ｘ走査を行いながらＺ走査を行うことでＡ１領域内の１ラインの高さプロファイルが得られる。
ここで高速走査可能なＸ走査だけを使用し、低速なＹ走査を併用しないのでＺ走査の際にラインデータを取り込むたびにＺの動きを止める必要は無く、動いたままＸ走査しても問題にはならない。

次にステージ装置４をＸ方向に動かして、顕微鏡の観察視野をＡ２の領域に移動させる。
このときも同様にＡ２領域内の１ラインだけのＸ走査、Ｚ走査を行いＡ２領域内の１ラインの高さプロファイルを得る。以下Ａ３領域に対しても同様の測定を行う。

これらの動作により図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）の３つの高さプロファイルデータｚ１、ｚ２、ｚ３が得られる。
高さプロファイルデータｚ１、ｚ２、ｚ３をデータのオーバラップ領域（同図の点線枠内）の高さ形状情報が最も一致するようにＸ方向及びＺ方向にずらしながら繋ぎ合わせることにより、図５（ｄ）に示すような連続した１つの高さプロファイルを得ることができる。

接続された高さプロファイルデータは１つのデータファイルとして記憶部１８に保存され、この保存データに対して各種データ解析が行われる。またこのデータは、必要に応じて外部記憶部２２に保存して、持ち運ぶことが可能であり、外部記憶部２２を用いて別のデータ解析アプリケーションで解析を行なうことも可能である。

解析例として、表面あらさの算出について説明する。
一般的には、触針式あらさ計による表面あらさの測定を行う際には、評価長さは数ｍｍ〜数十ｍｍ必要であるが、レ−ザ走査型顕微鏡を用いて高さ測定を行う場合、１つの視野の大きさは０．５ｍｍ程度である場合が多く、触針式あらさ計と同等の演算によるデータ解析を行うことができない。

しかし、接続された高さプロファイルを解析対象データとすることにより、測定長さを触針式あらさ計並みに大きくすることが可能となるので、触針式あらさ計と同等の解析が可能となる。

具体的には触針式あらさ計のカットオフフィルターは日本工業規格ＪＩＳ（Japan Industrial Standard ） Ｂ０６０１：２００１に規定されている。
ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１に開示されるように、周波数フィルタ処理を行なってプロファイルデータを、粗さ成分とうねり成分に分離した後に、各種あらさパラメータ（例えば算術平均高さＰａ、Ｒａ、Ｗａや最大断面高さＰｚ、Ｒｚ、Ｗａの計算が行われる。周波数フィルタにはＪＩＳ Ｂ０６３２：２００１に開示されるような位相補償フィルタの一種であるガウシアンフィルタなどが用いられる。なお、本例では周波数フィルタとしてガウシアンフィルタを例に説明したが、これに限定されるものではなく、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１の解説図７−９に記載されるような旧規格の２ＲＣフィルタや、周波数フィルタとして一般に広く用いられるバターワースフィルタなどであってよい。

また、必要に応じてデータは外部記憶部２２を用いて、別のデータ解析アプリケーションにデータを読み込ませて、そのデータ解析アプリケーションによって解析を行うことも可能である。

なお上記説明では測定領域を３つの領域に分けた例を用いて説明したが、２領域又は４領域以上に分けるようにしても良い。
また上記例では、高さプロファイルの接続は、１組のオーバラップ領域の高さ形状情報が最も一致するように接続したが、本実施形態はこの方法に限定されるものではなく、第１、第２の変位計２４、２５の座標値を用いて各データの座標値からデータを接続しても良い。

更に上記例では、Ｘ方向に走査することで１ラインのプロファイル測定を行ったが、Ｙ方向の１ラインの測定でもよく、ステージ装置４をＹ方向に位置を変えながら複数の高さプロファイルを測定してもよい。さらには、Ｘ方向とＹ方向のスキャナの動作を連動させることで、斜め１ラインの測定を行ってもよい。

また図４では領域をＸ方向に分割して、これを繋ぎ合わせていたが、Ｙ方向に分割して繋ぎ合わせても、ＸＹ両方向に分割して繋ぎ合わせても良い。
この第１の実施形態のレーザ走査型顕微鏡１００によれば、１ライン分の高さプロファイルを用いて、分割領域の画像のつなぎ合わせを行なうので、処理を高速に行なうことができる。

また、この１ライン分の高さプロファイルをＸ方向にとった場合、レーザ顕微鏡の３つの走査軸（Ｘ走査、Ｙ走査、Ｚ走査）のうち走査の遅いＹ走査を使用しないので、更に高速に高さプロファイルを得ることが可能となる。

これらの高速化の効果は、測定対象領域が大きく分割領域が増える程、その効果が大きい。
また、レーザ顕微鏡で、サブミクロンオーダの断面形状を測定するのに十分な対物レンズを用いる場合の視野は、０．５ｍｍ程度であることが多く、例えば表面粗さ測定で要求される数ミリから数十ミリの測定長さの確保には測定領域を１０領域以上に分割することは珍しくない。仮に従来方法の３次元的な面の測定が１領域につき１分で１０領域に分割したとすると、１０領域で１０分必要である。一方本実施形態のレーザ走査型顕微鏡１００を用いた場合、高さプロファイル測定では１領域につき数秒に測定完了できるので１０領域分測定しても１分程度で完了でき、１０倍程度のタクト向上が見込める。

更には、接続されたプロファイルを解析対象データとすることで、従来から一般に広く使用されている触針式あらさ計と同等の解析を行なうことができ、触針式あらさ計との互換を保った測定、比較が行うことが出来る。

また、取り扱うデータ量が少なくなるので演算処理やデータの解析、保存に多くのメモリを必要とせず、安価な装置として実現することが出来る。また必要に応じて外部記憶部２２に保存する場合も、データ容量が小さいので、例えばフレキシブルディスクのようなメモリ容量が小さいようなメモリ媒体にデータを保存して持ち運ぶことも出来る。

また、上記した第１の実施の形態では、各分割領域のオーバラップ部分の高さプロファイル（断面の高さ情報）を用いて最も一致するようにプロファイルを接続したが、分割領域の接続の仕方はこの方法に限定されるものではない。

例えば変形例として、１ラインの高さプロファイルを求める際に、図３で示したＺ０を各測定ポイント毎に求めたが、輝度のピーク値Ｉ０を各測定ポイントで求めると輝度の断面プロファイルも同様に求めることができる。つまり各測定領域で求められる情報は図６の（ａ）〜（ｃ）に示したような断面の輝度情報（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）と高さ情報（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）の組データとして算出される。

高さプロファイルを接続する際には、この輝度プロファイルの情報（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）を基にＸ方向の移動量（繋ぎ合わせのＸ方向に位置）を決定し、その後オーバラップ部分の高さ情報（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）を最も一致するようにＺ方向に移動させる量を決定する。このようにして３つの分割領域を接合して求めた断面の高さ情報が図６（ｄ）である。

なお接続したデータに対する表示、解析、データ保存などにおける処理は、上述したオーバラップ部分の高さプロファイル（断面の高さ情報）を用いる場合と同じある。
輝度プロファイルの情報（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）は、表面の微細な傷や凹凸に敏感に反応し、高さ情報のプロファイル（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）より特徴のあるプロファイルになりやすい。

したがって、この変形例の方法を用いた場合、輝度情報はＩＺ曲線の最大輝度値から求めたものなので、被検物の表面に合焦したコントラストの良い情報であって、なおかつ表面の微細なテクスチャや反射率の違いといった高さ情報には現れないような表面の特徴も反映される。従って、この輝度情報を用いて繋ぎ合わせを行なうことで、Ｘ方向においてより精度良いデータの接続が可能となり、測定データの信頼性が向上する。

次に第２の実施形態について説明する。
図７は、第２の実施の形態のレーザ走査型顕微鏡２００の構成を示す図である。
図７の第２の実施形態のレーザ走査型顕微鏡２００は、図１に示した第１の実施形態のレーザ走査型顕微鏡１００の構成に、新たにＴＶ光学系４９を付加したものであり、その他同様の構成については、第１の実施形態のレーザ走査型顕微鏡１００とほぼ同じである。よってその他の構成要素についての詳細な説明は省略する。

図７の構成では、ＴＶ光学系４９は対物レンズ５と瞳投影レンズ８の間の光路に挿入され、光路上には第３のビームスプリッタ５０が配置されている。第３のビームスプリッタ５０による反射側の光路には第４のビームスプリッタ５１が、また透過側の光路には投影レンズ５２、及び白色ＬＥＤ光源５３が配置される。そして第４のビームスプリッタ５１の反射側の光路には、ＴＶ結像レンズ５４が、またその焦点位置にはＣＣＤカメラ５５が配置される。

レーザ走査型顕微鏡２００では、白色ＬＥＤ光源５３から発した光は、投影レンズ５２で集光されながら第４のビームスプリッタを透過する。この光は第３のビームスプリッタ５０で反射し、対物レンズ５に入射し、被検物３を照射する。被検物３からの反射光は、再び対物レンズ５で集光され、その後第３のビームスプリッタ５０、第４のビームスプリッタ５１をそれぞれ反射し、ＴＶ結像レンズ５４により集光されＣＣＤカメラ５５の撮像面上に結像する。

なお、ＣＣＤカメラ５５の撮像エリアは、レーザ走査型顕微鏡２００の光学系の観察エリア、すなわち２次元光偏向器９の最大走査エリアと同じ大きさになるようにＴＶ結像レンズ５４の倍率が調整されている。

次に、第２の実施形態のレーザ走査型顕微鏡２００による、高さプロファイルデータを取得する手順について説明する。
第２の実施形態においても、第１の実施形態で図４を用いて示したように、被検物３の所望の測定領域を、レーザ顕微鏡の観察可能な視野の大きさに合わせて分割する。このとき、それぞれの分割領域は、隣り合う２枚が互いにオーバラップする領域が設けられている。本例では、Ａ１領域、Ａ２領域、及びＡ３領域の３つの領域に分割したものとする。

まずＡ１領域を観察している状態で被検物３の面の輝度画像をＣＣＤカメラ５５で撮像し、それをメモリに保存する。次に２次元光偏向器９のθｙ方向の走査は行わず、θｘ方向の走査（以下Ｘ走査）だけを行う。このとき被検物３の上では、θｘ方向に対応するＡ１内の１ラインだけが走査する。Ｘ走査を行いながらＺ走査を行うことで、Ａ１内の１ラインの高さプロファイルが得られる。

次にステージ装置４をＸ方向に動かして、顕微鏡の観察視野をＡ２の領域に移動させる。そしてＡ１領域の場合と同様に、Ａ２領域の面の輝度画像をＣＣＤカメラ５５で撮像し、それをメモリ保存する。レーザ光を１ラインだけのＸ走査しながらＺ走査を行い、Ａ２内の１ラインの高さプロファイルを得る。Ａ３領域に対しても同様の測定を行う。

これらの動作により図８（ａ）に示すＡ１領域の輝度画像Ｉｍｇ１、同図（ｂ）に示すＡ２領域の輝度画像Ｉｍｇ２、同図（ｃ）に示すＡ３領域の輝度画像Ｉｍｇ３が得られる。

次に輝度画像のオーバラップ領域６１−１、６１−２の各輝度画像のＩｍｇ１、Ｉｍｇ２、Ｉｍｇ３の輝度情報が最も一致するように、Ｘ方向に各輝度画像をずらしながら輝度画像を接続する。さらに、高さプロファイルデータのオーバラップ領域の高さ情報が最も一致するように、Ｚ方向に輝度画像をずらしながらプロファイルを接続する。これらの処理で連続した１つ輝度画像と高さプロファイルを得ることができる。

得られた輝度画像と高さプロファイルは、表示部２１の画面上で図９に示すようなアプリケーション画面７１として表示される。ＣＣＤカメラ５５の撮像エリアは、２次元光偏向器９の走査範囲と一致するようにレーザ走査型顕微鏡２００は構成されているので、アプリケーション画面７１上に、高さプロファイルを測定した１ラインの位置を、接続した輝度画像内にインポーズライン７０として表示する。

この第２の実施形態のレーザ走査型顕微鏡２００によれば、ライン状の輝度ではなく、それよりも情報量の多い面の輝度情報を用いてＸ方向の接続を行うので、精度良いデータの接続が可能となり、測定データの信頼性が向上できる。

さらに面の輝度画像の接続結果は、高さプロファイルを測定した箇所の状態を把握するのに非常に有効な情報となる。例えば、高さプロファイルデータだけでは分からないような表面の傷、ゴミなどの異物も輝度画像からその存在を確認することができる。またＣＣＤカメラとしてカラーカメラを用いれば色情報も分かるので、被検物の素材の違いといった情報も得ることが出来、データの解析効率が向上する。

なお、上述した白色ＬＥＤ光源５３を光源とした構成について説明したが、例えば白色ＬＥＤ光源５３の代わりにハロゲンランプ、水銀ランプを用いる構成でも良い。また、撮像素子としてＣＣＤカメラ５５を利用したが、撮像素子として例えばＣＭＯＳカメラを用いてもよく、２次元の画像を取得できる素子であれば何でも良い。

また、本例で例示したＣＣＤカメラ５５による輝度画像に代わって、第１の光ディテクタ１４で得られたＣＦ輝度画像、又は第２の光ディテクタ１５で得られたＮＣＦ輝度画像を用いても良い。ＮＣＦ輝度画像を用いた場合には、ピントの合っていない部分においても特徴が出るので、画像全体を考慮した繋ぎ合わせが行なえる。

第２の実施形態のレーザ走査型顕微鏡２００では、輝度画像を取得するときだけ２次元光偏向器９を２次元的に走査すれば良い。輝度画像を取得するためには、３次元ではなく２次元の走査でよく、Ｚ走査を行なう必要がないので、輝度画像を取得するために必要な測定時間は微々たる時間となり、測定のタクト時間を悪化させることはない。

次に第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態のレーザ走査型顕微鏡の構成は、図１に示した第１の実施形態のレーザ走査型顕微鏡１００と基本的には同じであり、制御部１６が実行する制御プログラムや、記憶部１８に記憶され、演算処理部１９によって実行されるプログラムのみが第１の実施形態のレーザ走査型顕微鏡１００とは異なる。

第３の実施形態のレーザ走査型顕微鏡は、所望のレンズなどの曲率を有する被検物の面頂を通るラインでの断面プロファイルを得るためのもので、そのための処理フローを以下に説明する。

図１０は、第３の実施形態のレーザ走査型顕微鏡の動作処理を示すフローチャートである。同図の処理は、演算処理部１９が記憶部１８内のプログラムを実行することにより実現される。

同図の処理が開示されると、まずレーザ走査型顕微鏡は、操作者にステージ装置４を移動させて、所望の測定したい領域、つまり本例ではレンズの面頂部分が顕微鏡の視野に入るように被検物の位置を合わせる（ステップＳ１）。

次にステップＳ２として、レーザ走査型顕微鏡は、操作者に、２Ｄ輝度画像内でレンズの面頂位置を探し、ポインティングデバイス等の指示入力部２０により表示部２１の表示画面内で面頂位置を指示させる。

共焦点観察によって被検物であるレンズを観察したときに、図１１（ａ）に示すような２Ｄ輝度画像として画像が得られる場合は、その輝度パターンが同心円状なのでこれはレンズの傾斜面にフォーカスされている状態である。そして同図（ｂ）のようなスポット上に明るくなる部分を探せば、そこが面頂である。このようにレンズの面頂は、２次元画像情報から容易に確認できる。なおこのステップＳ２は、操作者が行なうのではなく、レーザ走査型顕微鏡が自動的に面頂位置を検出するように構成しても良い。

次にステップＳ３として、操作者に、指示入力部２０から測定長さ“Ｌ”を指定させる。ここでは“Ｌ”の値として、例えばレンズの直径の値などが指定される。
そして次に、ステップＳ４として図１２に示すように、ステップＳ２で指示した位置から“−Ｌ／２”だけステージ装置４を移動させ、この位置を測定開始位置（図１２のＡ１領域）とする。

次にレーザ走査型顕微鏡は、Ｘ方向の高さプロファイルを測定するが、２次元光偏向器９のｙ方向の光偏向角θｙは、ステップＳ５としてステップ７２で指示した画面内のＹ方向に位置に対応する角度に設定してから測定し、結果を記憶部１８に保存する。

続いてステップＳ６として、所定ステップ“Δｘ”だけステージ装置４を移動し、図１２で示すＡ２の領域に移動する。再び走査するＹ方向の位置を所定の位置にした状態で測定を行い、結果を記憶部１８に保存する（ステップＳ７）。なおこのステップ６での“Δｘ”の大きさは、例えば隣り合う測定領域が一部オーバラップするように、Ｘ方向の測定視野よりも小さい値に設定する。

次にステップＳ８として、ステップＳ６によるステージ装置４の総移動距離が“Ｌ”に達しているかどうかを判断し、総移動距離が“Ｌ”に達していなければ（ステップＳ８、ＮＯ）、ステップ６へ処理を戻す。

ステップＳ８において、ステップＳ６によるステージ装置４の総移動距離が“Ｌ”に達していれば（ステップＳ８、ＹＥＳ）、ステップＳ９として、図１３に示すように、これまでにステップＳ７で取得した高さプロファイルデータ（図１３（ａ）〜（ｃ））を接続処理（同図（ｄ））を行い、本処理を終了する。

この図１０に示した処理フローにより、測定位置を決めて、複数の高さプロファイルを取得、データの接続といった一連の動作が完了する。接続したデータについては第１、第２の実施形態と同様に解析、保存等が行われる。

触針式粗さ計では基本的にはライン測定しか行えないので、このようなレンズの面頂を探して測定するのは困難であるが、第３の実施形態の方法によれば、簡単に面頂を見つけることが出来、そこを通る１ラインの高さデータを求めることでレンズの曲率半径や、非球面レンズであれば非球面係数といったデータ解析が正しく行うことができる。

なお上記説明では、被検物として凸レンズの測定を行った例を挙げたが、凹レンズを被検物としても、同様の方法により測定を行うことが出来る。
なお上記例では、面頂を探すのに共焦点輝度画像を用いたが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば面頂付近にて一旦３Ｄ計測を行い、そのデータから面頂位置を特定しても良い。または、ＴＶ光学系を有する図７のような装置を用いてＴＶ画像のフォーカス状態から画像処理等の方法を用いて面頂を特定しても良い。

また、上記例ではレンズの形状測定を例にして説明したが、被検物はどんなものでも良く被検物の種類は限定されない。
第３の実施形態は、上述した方法に限らず、面の輝度情報、あるいは面の高さ情報を用いて所望の測定ラインを指定した上で、そこを通るラインについてライン測定を行い、それらの測定結果を接続するフローのものは全て含む。

次に第３の実施形態の変形例について説明する。
この変形例では、第３の実施形態の処理に輝度画像を取り込む処理が追加されている。
図１４は、第３の実施形態の変形例の処理フローを示すフローチャートである。同図は、図１０に示した第２の実施形態のフロー、いくつかの処理を追加したものである。よって図１４は図１０と実質的に同じ処理ステップには同じ符号を記し、その説明は省略する。

図１４のフローチャートでは、ステップＳ４とステップＳ５の間にその観察位置での輝度画像を取得して、記憶部１８に保存するステップＳ１１、ステップＳ６とステップＳ７の間にその観察位置での輝度画像を取得し、それを記憶部１８に保存するステップＳ１２、及びステップＳ９の次のステップに輝度画像と高さプロファイルの両方を接続するステップＳ１３を追加している。

このステップＳ１３の接続処理は、上述したように、面輝度画像を用いてＸ方向の位置を決め、高さプロファイルを用いてＺ方向の位置を決めて接続する。
なお図１４の処理フローにおいて、ステップＳ１１とステップＳ５順序を逆にしてステップＳ５を行なった後にステップＳ１１を行なっても良い。同様にステップＳ７を行なった後にステップＳ１２を行なっても良い。

この図１４の処理フローに従えば、各測定ポイントの高さプロファイルと共に面での輝度画像もセットで取得できる。そして得られる接続した輝度画像は、高さプロファイルを測定した箇所の状態を把握するのに非常に有効な情報となる。例えば、高さプロファイルデータだけでは分からないような表面の傷、ゴミなどの異物も輝度画像からその存在を確認することができる。またＣＣＤカメラとしてカラーカメラを用いれば色情報も分かるので、被検物の素材の違いといった情報も得ることが出来、データの解析効率が向上する。

第１の実施形態におけるレーザ走査型顕微鏡の構成を示す図である。 ラスタスキャンによる走査の軌跡を示す図である。 Ｚ走査ステージ２より対物レンズと被検物の相対距離を変えながら得られる輝度変化曲線を示す図である。 測定領域をレーザ走査型顕微鏡の観察可能な視野の大きさに合わせて分割する例を示である。 得られる３つの高さプロファイルデータとそれらを繋ぎ合わせた高さプロファイルを示すである。 第１の実施形態の変形例で得られる図６の断面の輝度情報と高さ情報を示す図である。 第２の実施の形態のレーザ走査型顕微鏡の構成を示す図である。 第２の実施の形態のレーザ走査型顕微鏡で得られる輝度画像を示す図である。 第２の実施の形態のレーザ走査型顕微鏡で得られる輝度画像と高さプロファイルの表示画面例を示す図である。 第３の実施形態のレーザ走査型顕微鏡の動作処理を示すフローチャートである。 共焦点観察によって被検物としてレンズを観察したときの２Ｄ輝度画像を示す図である。 第３の実施形態において−Ｌ／２だけステージ装置を移動させ、また所定ステップΔｘだけステージ装置を移動させた場合を示す図である。 第３の実施形態で取得した高さプロファイルデータ及びそれらを接続した高さプロファイルデータを示す図である。 第３の実施形態の変形例の処理フローを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 平行光
２ レーザ光源
３ 被検物
４ ステージ装置
５ 対物レンズ
６ 光軸
７ Ｚ走査ステージ
８ 瞳投影レンズ
９ ２次元光偏向器
１０ 第１のビームスプリッタ
１１ 結像レンズ
１２ 第２のビームスプリッタ
１３ 共焦点絞り
１４ 光ディテクタ
１５ 第２の光ディテクタ
１６ 制御部
１７ コンピュータ
１８ 記憶部
１９ 演算処理部
２０ 指示入力部
２１ 表示部
２２ 外部記憶部
２３ 焦点位置
２４ 第１の変位計
２５ 第２の変位計
４９ ＴＶ光学系
５０ 第３のビームスプリッタ
５１ 第４のビームスプリッタ
５２ 投影レンズ
５３ 白色ＬＥＤ光源
５４ ＴＶ結像レンズ
５５ ＣＣＤカメラ
１００、２００ 走査型レーザ顕微鏡

Claims (18)

1. レーザ光源からの光を対物レンズを通して被検物に集光すると共に被検物の面方向にそれぞれ独立に前記レーザ光を走査可能な光偏向部と、対物レンズの焦点位置と共役な位置に配置された光学絞りを通過する被検物からの反射光量を検出する光検出部と、被検物と対物レンズの光軸方向の相対距離を変えるＺ走査部と、前記Ｚ走査部により相対距離を変化させた際の、前記レーザ光源を被検物上に走査する際に得られる光検出器からの輝度出力が最大値となる前記相対距離を求めることで、被検物の各走査ポイントにおける高さ情報を求める制御部を有するレーザ走査型顕微鏡において、
   前記光偏向部により被検物上をライン状に走査して得られる１ライン分の高さプロファイルをその走査方向に所定量だけずらしながら複数取得し、複数の前記高さプロファイルから走査方向に１つのプロファイルを求める演算処理部を、備えることを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。
2. 前記演算処理部は、前記高さプロファイルを取得するときに輝度プロファイルも共に取得し、前記輝度プロファイルの形状が最も一致するように前記走査方向の高さプロファイル連結位置を決め、前記高さプロファイルの情報を使って前記対物レンズの光軸方向の高さプロファイル連結位置を決めて前記１つのプロファイルを求めることを特徴とする請求項１記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
3. 前記演算処理部は、前記高さプロファイルを取得するときに当該高さプロファイルに対応した面の輝度情報も共に取得し、前記面の輝度情報を使って前記走査方向の高さプロファイル連結位置を決め、前記高さプロファイル情報を使って前記対物レンズの光軸方向の高さプロファイル連結位置を決めて前記１つのプロファイルを求めることを特徴とする請求項１記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
4. 前記演算処理部は、複数の前記面の輝度情報から一枚の輝度画像を生成し、前記高さプロファイルを測定した場所を前記一枚の輝度画像上に表示することを特徴とする請求項３記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
5. 前記面の輝度画像は非共焦点画像であることを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
6. 前記面の輝度情報は共焦画像であることを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
7. レーザ光源からの光を対物レンズを通して被検物に集光すると共に被検物の面方向にそれぞれ独立に前記レーザ光を走査可能な光偏向部と、対物レンズの焦点位置と共役な位置に配置された光学絞りを通過する被検物からの反射光量を検出する光検出部と、被検物と対物レンズの光軸方向の相対距離を変えるＺ走査機構と、前記Ｚ走査機構により相対距離を変化させた際の、前記レーザ光源を被検物上に走査する際に得られる光検出器からの輝度出力が最大値となる前記相対距離を求めることで、被検物の各走査ポイントにおける高さ情報を求める制御部と、を有するレーザ走査型顕微鏡において、
   前記レーザ走査型顕微鏡の光学系内部に前記対物レンズを共用する形で配置された顕微鏡の照明光学系と、
   前記照明光学系からの光により撮像を行なう２次元撮像部と、
   前記光偏向部により被検物上をライン状に走査して得られる１ライン分の高さプロファイルを前記走査の方向に所定量だけずらしながら複数取得し、前記高さプロファイルを取得する際に、前記２次元撮像部により輝度画像を取得し、複数の前記高さプロファイルと前記輝度画像を基に、１つの高さプロファイルおよび１つの輝度画像を求める演算処理部と、
   を備えることを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。
8. 前記高さプロファイルを求めるために走査した位置を、前記接続した輝度画像上に表示することを特徴とする請求項７記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
9. 前記２次元撮像部は、ＣＣＤ撮像素子であることを特徴とする請求項７記載のレーザ顕微鏡装置。
10. 前記１つの高さプロファイルを求める際に、前記輝度情報を使って前記走査の方向の高さプロファイル連結位置を決め、前記高さプロファイルを使って前記対物レンズの光軸方向の高さプロファイル連結位置を決めて接続することを特徴とする請求項７記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
11. 前記演算処理部は、取得した複数の前記１ライン分の高さプロファイルがそれぞれ一部オーバラップするように前記所定量ずらし、前記オーバラップの領域の高さプロファイルが最も一致するように前記１ライン分の高さプロファイルを繋ぎ合わせて前記１つの高さプロファイルを求めることを特徴とする請求項１又は７に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
12. 前記対物レンズの光軸方向の相対距離を変えながら１ライン分の前記輝度出力を取得する際に、前記対物レンズの光軸方向の走査を止めずに動かし続けながら前記輝度出力を順次取得することを特徴とする請求項１又は７記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
13. データを記憶する記憶部または外部記憶部を更に備え、
    前記演算処理部は、求めた前記１つの高さプロファイルを前記記憶部または前記外部記憶部に保存することを特徴とする請求項１又は７記載にレーザ走査型顕微鏡装置。
14. 求めた前記１つの高さプロファイルに対し、周波数フィルタ処理を行うことを特徴とする請求項１又は７記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
15. 求めた前記１つの高さプロファイルに対し、触針式の粗さ計用に規定されたカットオフフィルター処理を適用し、粗さパラメータ演算を行うことを特徴とする請求項１又は７記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
16. レーザ光源からの光を対物レンズを通して被検物に集光すると共に被検物の面方向にそれぞれ独立に前記レーザ光を走査可能な光偏向部と、対物レンズの焦点位置と共役な位置に配置された光学絞りを通過する被検物からの反射光量を検出する光検出部と、被検物と対物レンズの光軸方向の相対距離を変えるＺ走査機構と、前記Ｚ走査機構により相対距離を変化させた際の、前記レーザ光源を被検物上に走査する際に得られる光検出器からの輝度出力が最大値となる前記相対距離を求めることで、被検物の各走査ポイントにおける高さ情報を求める制御部とを有するレーザ走査型顕微鏡による被検物の表面形状の測定方法であって、
    被検物の顕微鏡画像の中の測定したい場所を操作者に指示させ、
    前記指示した場所を通る１ライン分の高さプロファイルを測定し、
    測定した高さプロファイルの走査方向に、被検物と前記対物レンズとの位置を、前記走査方向に所定距離移動させると共に、前記測定した高さプロファイルの延長線上の高さプロファイルを測定し、
    前記移動した長さが特定値に達するまで、前記移動と前記測定した高さプロファイルの延長線上の高さプロファイルを測定を繰り返し、
    前記測定した複数の前記高さプロファイルを接続し、連続した１つの高さプロファイルデータを生成する
    ことを特徴とするレーザ走査型顕微鏡装置における表面形状の測定方法。
17. レーザ光源からの光を対物レンズを通して被検物に集光すると共に被検物の面方向にそれぞれ独立に前記レーザ光を走査可能な光偏向部と、対物レンズの焦点位置と共役な位置に配置された光学絞りを通過する被検物からの反射光量を検出する光検出部と、被検物と対物レンズの光軸方向の相対距離を変えるＺ走査機構と、前記Ｚ走査機構により相対距離を変化させた際の、前記レーザ光源を被検物上に走査する際に得られる光検出器からの輝度出力が最大値となる前記相対距離を求めることで、被検物の各走査ポイントにおける高さ情報を求める制御部とを有するレーザ走査型顕微鏡による被検物の表面形状の測定方法であって、
    被検物の顕微鏡画像の中の測定したい場所を操作者に指示させ、
    前記指示させた場所を通る１ライン分の高さプロファイルを測定すると共に、当該測定した位置での２次元輝度画像を撮像し、
    前記１ラインの高さプロファイルを測定時に走査した方向に被検物と前記対物レンズとの位置を所定距離相対移動させ、
    前記相対移動させた位置において、前記測定した１ラインの高さプロファイルの延長線上の高さプロファイルを測定すると共に、当該測定した位置での２次元輝度画像を撮像し、
    前記相対移動させた距離が特定値以上となるまで前記延長線上の高さプロファイルを測定及び当該測定した位置での２次元輝度画像を撮像を繰り返し、
    前記測定した複数の前記高さプロファイルおよび前記２次元輝度画像を接続し、連続した１つの高さプロファイルデータおよび連続した画像を生成する
    ことを特徴とするレーザ走査型顕微鏡装置における表面形状の測定方法。
18. 前記被検物は特定の曲率を有するものであり、前記測定したい場所として前記被検物の形状の極大又は極小値となる位置であることを特徴とする請求項１６または１７に記載のレーザ走査型顕微鏡装置における表面形状の測定方法。