JP4526988B2 - 微小高さ測定方法及びそれに用いる微小高さ測定装置並びに変位ユニット - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の微小高さを測定する微小高さ測定方法に関し、詳しくは、被測定物上の測定点を任意に選択可能として測定点の高さを高速で測定しようとする微小高さ測定方法及びそれに用いる微小高さ測定装置並びに変位ユニットに係るものである。

従来のこの種の微小高さ測定装置は、光源であるレーザ発振器と、被測定物をレーザビームで走査するためのレーザビーム偏向部と、走査されるレーザビームを被測定物に集光する対物レンズと、被測定物からの反射光を二つの光路に分岐する光学系と、分岐された各々の光路における反射光の結像位置付近に配置した光学的に大きさの異なる二つの開口と、各開口を通過した反射光をそれぞれ検出する光検出器と、この光検出器の出力信号から被測定物の高さを算出する処理部とを備え、小さな開口を配置した光路から得られた反射光の高さに依存する測定値を、大きな開口を配置した光路から得られた反射光の絶対量値で除算して被測定物の高さを求め、これを予め計算・記憶しておいた高さ換算表と照らし合わせることにより、計算結果に応じた高さを得るようになっている（特許文献１参照）。

しかし、上記微小高さ測定装置は、レーザビームをガルバノミラー等を用いて走査するため、走査スピードに限界があり、また走査ビームの揺らぎ現象の問題があった。

そこで、このような問題に対処するために、他の装置は、多数のマイクロレンズをアレイ状に配列したマイクロレンズディスクと、該マイクロレンズディスクと同一の回転軸により一体的に回転するようにされ、上記マイクロレンズディスクの各マイクロレンズの焦点位置にピンホールを形成したピンホールディスクと、上記マイクロレンズディスクのマイクロレンズ及びピンホールディスクのピンホールを通過した光ビームを被測定物上に集光させる対物レンズと、該対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され被測定物からの反射・散乱光を検出する光検出器と、上記マイクロレンズディスクとピンホールディスクとの間に配設され被測定物からの反射・散乱光を上記光検出器側に反射する光分岐手段と、該反射光を上記光検出器の検出面上に集光するリレーレンズとを備えている（特許文献２参照）。

上記他の装置は、このような構成により、レーザビームをマイクロレンズディスクに配置された各マイクロレンズにより個別の光束として集光し、光分岐手段を透過後、ピンホールディスクに設けられた個々のピンホールを通過させ、対物レンズにより被測定物上に集光させる。そして、被測定物から発生した反射・散乱光を再び対物レンズによりピンホールディスクの個々のピンホール上に集光させ、個々のピンホールを通過後、上記光分岐手段により反射してリレーレンズにより光検出手段上に集光させる。これにより、マイクロレンズディスクとピンホールディスクとを一体的に回転してレーザビームを観察領域全体に高速走査することができる。
特開平０７−１２８０２５号公報 特開２００４−３４０６６３号公報

しかし、このような従来の微小高さ測定装置においては、いずれも光ビームの走査を機械的に行うものであったので、光ビームの走査速度には限界があり、高速測定が困難であった。また、観察領域全体をレーザビームで走査して被測定物の高さを測定するものであったので、任意の測定点を選択して測定することができず、被測定物上の任意の点の高さを高速度で測定することができなかった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、被測定物上の測定点を任意に選択可能として測定点の高さを高速で測定しようとする微小高さ測定方法及びそれに用いる微小高さ測定装置並びに変位ユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明による微小高さ測定方法は、光ビームを被測定物上に集光する対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段の当該マイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを傾けて光源からの光ビームを被測定物方向に反射させ、前記少なくとも一のマイクロミラーで反射された光ビームを前記対物レンズにより被測定物上に集光し、該被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段の前記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出し、前記被測定物を前記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させてその変位量を検出し、前記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出された光の輝度及び前記検出された変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求めるものである。

そして、前記測定点選択手段は、複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動するものである。これにより、測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動する。

また、第２の発明による微小高さ測定装置は、光ビームを照射する光源と、前記光源からの光ビームを被測定物上に集光する対物レンズと、該対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、前記光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、前記被測定物を前記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させると共にその変位量を検出して出力する変位手段と、前記測定点選択手段の各マイクロミラーを個別に駆動制御し、前記変位手段の変位を制御すると共に、前記光検出手段で検出された光の輝度及び前記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める制御手段と、を備えたものである。

このような構成により、光源から光ビームを照射し、制御手段で対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置された測定点選択手段のマトリクス状に配列された複数のマイクロミラーを個別に駆動制御して、上記光源からの光ビームを被測定物方向に反射するように傾け、対物レンズにより上記マイクロミラーで反射された光ビームを被測定物上に集光し、光検出手段で被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段を介して検出し、制御手段で変位手段の変位を制御し、変位手段で被測定物を上記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させてその変位量を検出して出力し、制御手段により上記光検出手段で検出された光の輝度及び上記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める。

また、第３の発明による微小高さ測定装置は、被測定物に照射する光ビームを発生する光源と、該光源からの光ビームが前記被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、前記測定点選択手段を前記被測定物への光ビームの照射方向に変位させる変位手段と、該変位手段の変位を制御すると共に前記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路とを有する変位計ユニットと、前記変位計ユニットの光源からの光ビームを前記被測定物上に集光する対物レンズと、前記変位計ユニットの測定点選択手段の各マイクロミラーを個別に駆動制御すると共に、前記変位計ユニットから出力された変位量及び光の輝度のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める制御手段と、を備えたものである。

このような構成により、変位計ユニットの光源で光ビームを発生し、測定点選択手段のマトリクス状に配列された複数のマイクロミラーを制御手段で個別に駆動制御して上記光源からの光ビームを被測定物方向に反射するように傾け、上記対物レンズにより上記マイクロミラーで反射された光ビームを被測定物上に集光し、変位計制御回路で変位手段の変位を制御し、該変位手段で少なくとも上記測定点選択手段を被測定物への光ビームの照射方向に変位させ、光検出手段で被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段を介して検出し、変位計制御回路で上記測定点選択手段の変位量及び上記光検出手段により検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力し、制御手段で該データに基づいて最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める。

また、前記制御手段は、前記測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動させるものである。これにより、制御手段で測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動させる。

さらに、前記光検出手段は、前記光源と前記測定点選択手段との間の光路上に配設されて、前記測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光するものである。これにより、光源と測定点選択手段との間の光路上に配設されて、測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段で測定点選択手段からの光を反射し、それを光検出手段で受光する。

さらにまた、前記光検出手段は、光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能としたものである。これにより、光電子増倍管若しくは撮像素子で被測定物からの反射及び散乱光を検出し、又はその両者を組み合わせたものでそれぞれ切り換えて被測定物からの反射及び散乱光を検出する。

そして、前記光源は、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能としたものである。これにより、レーザ光源若しくは白色光源で照射し、またはその両者を組み合わせたもの、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせたものでそれぞれ切り換えて照射する。

また、第４の発明による変位計ユニットは、被測定物に照射する光ビームを発生する光源と、該光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、前記測定点選択手段を前記被測定物への光ビームの照射方向に変位させる変位手段と、該変位手段の変位を制御すると共に、前記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路と、を備えたものである。

このような構成により、光源で光ビームを発生し、個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段で光源からの光ビームが被測定物方向に反射し、光検出手段で上記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段を介して検出し、変位手段で少なくとも上記測定点選択手段を上記被測定物への光ビームの照射方向に変位させ、変位計制御回路で上記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する。

さらに、前記光検出手段は、前記光源と前記測定点選択手段との間の光路上に配設されて、前記測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光するものである。これにより、光源と測定点選択手段との間の光路上に配設された光分岐手段で測定点選択手段からの光路を二つに分岐し、光検出手段で光分岐手段により反射された光を受光する。

さらにまた、前記光検出手段は、光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能としたものである。これにより、光電子増倍管若しくは撮像素子で被測定物からの反射及び散乱光を検出し、又はその両者を組み合わせたものでそれぞれ切り換えて被測定物からの反射及び散乱光を検出する。

そして、前記光源は、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能としたものである。これにより、レーザ光源若しくは白色光源で照射し、またはその両者を組み合わせたもの、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせたものでそれぞれ切り換えて照射する。

請求項１又は３に係る発明によれば、光ビームを被測定物上に集光する対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置された測定点選択手段のマトリクス状に配列された複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを傾けて光源からの光ビームを被測定物方向に反射すると共に、該被測定物の測定点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段の少なくとも一のマイクロミラーを介して検出するようにしたことにより、測定点を任意に選択することができ、被測定物上の測定点の高さを高速で測定することができる。したがって、例えば、液晶表示パネルのセルギャップ中の異物の高さを高速で検査することができる。

また、請求項２又は５に係る発明によれば、測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動するものとしたことにより、所望の測定点及び測定点数を任意に選択することができる。したがって、被測定物上の任意の測定点の高さを高速度で測定することができる。

さらに、請求項４に係る発明によれば、光源と、測定点選択手段と、光検出手段と、変位手段と、変位計制御回路とを有して変位計ユニットを構成し、該変位計ユニットの測定点選択手段を被測定物への光ビームの照射方向に変位させるものとしたことにより、測定点選択手段の変位量が対物レンズの倍率に応じて拡大されて、対物レンズの光軸方向に被測定物を相対的に変位させる場合よりも微小高さの測定精度を向上することができる。また、測定精度を上記被測定物を相対的に変位させる場合と同じにしたときには、測定点選択手段の変位量の測定をラフに行うことができる。したがって、この場合、変位量を測定するための例えばエンコーダやリニアスケール等の特別なセンサーを必要とせず、変位手段の駆動パルス数をカウントして変位量を測定することができ変位手段の構成が簡単となる。さらに、対物レンズの焦点を被測定物上に合わせた状態で各測定点における微小高さを測定することができるので、測定点を容易に指定することができる。

さらに、請求項６又は１０に係る発明によれば、光源と測定点選択手段との間の光路上に配設されて、測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光するものとしたことにより、光源から発射された光と干渉することなく測定点選択手段からの光を受光することができる。

さらにまた、請求項７又は１１に係る発明によれば、光検出手段を光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能なものとしたことにより、光電子増倍管を使用した場合には検出感度が高いため光検出精度が向上し、微小高さの測定精度を向上することができる。また、撮像素子を使用した場合には複数の測定点の高さ測定を同時に行うことができ、微小高さの測定をより高速で行うことができる。さらに、両者を組み合わせてそれぞれ切替可能とすれば、目的に応じて適宜切り換えて使用することができ、利便性が拡大する。

そして、請求項８又は１２に係る発明によれば、光源を、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能なものとしたことにより、複数の波長のレーザ光源を使用する場合には、被測定物の測定点の下地の色に応じてレーザ光源の波長を選択することができ、光検出をより高感度で行うことができる。また、白色光源を使用したと場合には、被測定物の測定点の下地の色に影響されることなく光検出を高感度で行うことができる。

また、請求項９に係る発明によれば、複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段の該複数のマイクロミラーを個別に傾けて光源からの光ビームを被測定物方向に反射し、被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を検出すると共に、上記測定点選択手段を被測定物への光ビームの照射方向に変位させ、測定点選択手段の変位量及び上記検出光の輝度のデータを互いに関連づけて出力するものとしたことにより、既存の顕微鏡に取り付けて微小高さ測定装置を容易に構成することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による微小高さ測定装置の第１の実施形態を示す概念図である。この微小高さ測定装置は、共焦点光学系を用いて被測定物１の高さを測定するもので、光源２と、対物レンズ３と、測定点選択手段４と、光検出手段５と、変位手段６と、制御手段７とからなり、例えば液晶表示パネルのセルギャップの検査を高速で行おうとするものである。

上記光源２は、光ビームを発射するものであり、例えばレーザ発振器である。
上記被測定物１と対向して対物レンズ３が設けられている。この対物レンズ３は、上記光源２からの光ビームを被測定物１上に集光するものである。

上記対物レンズ３の焦点位置と光学的に共役の関係に測定点選択手段４が配置されている。この測定点選択手段４は、被測定物１上の側定点を任意に選択するものであり、光源２からの光ビームが被測定物１方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}をマトリクス状に配列したものである。このマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}のサイズは、例えば16μm角程度に形成することが可能であり、該マイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}でそれと略同サイズのスポット光を生成することができる。

なお、上記対物レンズ３と測定点選択手段４との間には、結像レンズ８が対物レンズ３の光軸に一致させて設けられており、対物レンズ３によって被測定物１上に生成された光ビームのビームスポットの像を上記マイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}上に結像させるようになっている。そして、上記対物レンズ３と、測定点選択手段４と、結像レンズ８とで共焦点光学系９を構成している。

上記光源２と測定点選択手段４との間には、光検出手段５が設けられている。この光検出手段５は、上記被測定物１上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段４を介して光電変換して検出するものであり、例えば光電子増倍管（Photo Multiplier Tube：PMT）である。そして、光検出手段５は、上記光源２と測定点選択手段４との間の光路上に配設されて、上記測定点選択手段４からの光路を二つに分岐する光分岐手段１１例えばハーフミラー等により反射された測定点選択手段４からの光を、光源２から発射される光ビームと干渉することなく受光できるようになっている。なお、上記光検出手段５は、光を光電変換して検出することができるものであれば上記PMTに限られない。

上記共焦点光学系９には、変位手段６が設けられている。この変位手段６は、共焦点光学系９をその光軸方向に変位させるものであり、図示省略のモータと位置検出センサーとを備え、後述の制御手段７からの制御信号に基づいて上記モータを駆動して共焦点光学系９をその光軸方向（図１において矢印Ａ，Ｂで示す方向）に変位させ、予め設定した基準位置からの変位量を上記位置検出センサーで検出してその検出信号を制御手段７に送るようになっている。

上記測定点選択手段４、光検出手段５及び変位手段６に接続して制御手段７が設けられている。この制御手段７は、図２に示すように、上記測定点選択手段４の複数のマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}のうちから一つを任意に選択して駆動すると共に、上記光検出手段５で検出された光の輝度及び上記共焦点光学系９の変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物１の測定点における高さとして求めるものであり、制御及び処理部１２と、Ａ／Ｄ変換部１３と、メモリ１４と、ホームコンピュータ（以下、「制御用ＰＣ」と記載する）１５とを備えている。

上記制御及び処理部１２は、外部に接続して備えた制御用ＰＣ１５により、予め指定された各測定点に対応するマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}のアドレス情報を測定点選択手段４に送って、該アドレス情報により指定されたアドレスのマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}を駆動する。また、上記制御用ＰＣ１５により予め指定されたサンプリング間隔及びサンプリング回数並びに変位速度に関する指令信号を変位手段６に送り、共焦点光学系９を該指令信号で定められる最大変位量だけ所定の速度で変位させる。さらに、上記サンプリング間隔のタイミングで上記サンプリング回数だけＡ／Ｄ変換部１３を起動する変換タイミング信号を上記Ａ／Ｄ変換部１３に出力すると共に、上記Ａ／Ｄ変換部１３から上記タイミングで取得する輝度データと上記変位手段６から上記タイミングで入力する位置検出センサーの検出信号に基づいて生成される変位量データとを関連付けて上記メモリ１４に書き込む。そして、上記メモリ１４から読み出した各測定点の全ての輝度データとそれに関連付けられた変位量データとを制御用ＰＣ１５に出力する。

上記Ａ／Ｄ変換部１３は、上記光検出手段５から入力したアナログ信号をデジタルデータに変換するものであり、上記制御及び処理部１２から入力する変換タイミング信号に基づいて所定のタイミングでデジタル変換するようになっている。また、上記メモリ１４は、輝度データと変位量データとを関連付けて記憶するものであり、例えばＲＡＭである。そして、制御用ＰＣ１５は、オペレータが各測定点に対応するマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}のアドレス情報や、共焦点光学系９の変位速度及びサンプリング間隔並びにサンプリング回数等の各種パラメータを入力することを可能とすると共に、制御及び処理部１２から互いに関連付けて出力された光の輝度及び変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を各測定点における被測定物１の高さとして求めるものであり、その結果を表示部１５ａに表示させるようになっている。

次に、このように構成された微小高さ測定装置の動作及びそれを用いて実施する微小高さ測定方法について図３を参照して説明する。
先ず、ステップＳ１においては、制御手段７の制御及び処理部１２は、オペレータが予め入力して指定した各測定点に対応するマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}のアドレス情報や、共焦点光学系９の変位速度及び変位量データを取得するためのサンプリング間隔並びにそのサンプリング回数等の各種パラメータを制御用ＰＣ１５から入力する。なお、上記各測定点の座標位置が予め測定されている場合には、そのデータを保存したファイルから制御用ＰＣ１５に取り込んで自動的に設定してもよい。

ステップＳ２においては、上記入力した各種パラメータを処理して各マイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}の駆動順番Ｋ＝１〜ｋを設定し、該設定された順番Ｋに従って駆動するマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}のアドレス情報を測定点選択手段４に順次送る。

ステップＳ３においては、上記測定点選択手段４は、先ずＫ＝１番に設定されたマイクロミラー１０_{（１，ｉ）}（図１参照）を駆動して光源２から発射された光ビームを被測定物１側に反射する。上記マイクロミラー１０_{（１，ｉ）}で反射された光ビームは、結像レンズ８及び対物レンズ３を通って被測定物１上の選択された第１の測定点に集光する。なお、この場合、他のマイクロミラーで反射される光ビームは、被測定物１とは異なる方向に向くようにされているので、これらの光ビームが被測定物１に集光することはない。

上記被測定物１上の第１の測定点で発生した光ビームの反射及び散乱光は、対物レンズ３を通って結像レンズ８により上記マイクロミラー１０_{（１，ｉ）}に集光する。そして、上記反射及び散乱光は、該マイクロミラー１０_{（１，ｉ）}で光源２側に反射されて光分岐手段１１に入射し、該光分岐手段１１で光源２とは異なる方向に反射されて光検出手段５に入射する。

ステップＳ４においては、上記光検出手段５で受光した光強度のアナログ信号を制御手段７のＡ／Ｄ変換部１３でデジタルの輝度データに変換する。この場合、Ａ／Ｄ変換部１３では、上記制御用ＰＣ１５から入力した各種パラメータのうちサンプリング間隔及びサンプリング回数のデータに基づいて制御及び処理部１２で生成された変換タイミング信号により所定のタイミングで所定回数だけデジタル変換が行われる。

同時に、制御及び処理部１２は、制御用ＰＣ１５から入力したサンプリング間隔及びサンプリング回数並びに変位速度に関する指令信号を変位手段６に送り、変位手段６のモータを駆動して共焦点光学系９を該指令信号で定められる変位量だけ所定の速度で図１に示す矢印Ａ又はＢ方向に変位させる。

ステップＳ５においては、制御及び処理部１２は、Ａ／Ｄ変換部１３から所定のタイミングでデジタル変換された輝度データを順次入力する。また、同時に、変位手段６の位置検出センサーから上記タイミングに同期して順次入力される検出信号に基づいて共焦点光学系９の変位量データを生成する。

この場合、被測定物１の測定点の位置が共焦点光学系９の対物レンズ３の焦点位置と一致しているときには、上記焦点位置からの反射光の略全てがマイクロミラー１０_{（１，ｉ）}の反射面に集光して反射され、その結果、光検出手段５で検出される輝度値（光強度）は高くなる。一方、被測定物１の測定点の位置が上記対物レンズ３の焦点位置からずれているときには、測定点におけるビームスポットがぼけて大きくなり、そのビームスポットのマイクロミラー１０_{（１，ｉ）}上に結像される像の大きさは、マイクロミラー１０_{（１，ｉ）}のサイズよりも大きくなる。したがって、マイクロミラー１０_{（１，ｉ）}の反射面で反射される光量が減って光検出手段５で検出される輝度値（光強度）は低下する。そして、測定点の上記焦点位置からのずれ量が大きくなるほど輝度値（光強度）はより低下する。

ステップＳ６においては、制御及び処理部１２は、各タイミング毎に得られた上記輝度データと変位量データとを第１の測定点の情報として互に関連付けてメモリ１４に書き込む。

ステップＳ７においては、Ｋ＝ｋか否かを制御及び処理部１２で判定する。ここで、“ＮＯ”判定となるとステップＳ３に戻ってＫ＝２番に設定されたマイクロミラー１０_{（１，ｉ＋１）}の駆動に切り換え、上記ステップＳ４〜Ｓ６を実行する。そして、被測定物１の第２の測定点における輝度データと変位量データとを得て、それらを互いに関連づけてメモリ１４に書き込む。

一方、ステップＳ７において、“ＹＥＳ”判定となると全ての測定点に対する測定データの取り込みが終了し、ステップＳ８に進んで制御及び処理部１２は、メモリ１４から各測定点の輝度データと変位量データとを順次読み出し、各測定点における輝度値が最大となる変位量を被測定物１上の各測定点の高さとして定め、その結果を制御用ＰＣ１５の表示部１５ａに表示する。

なお、上記実施形態においては、共焦点光学系９を変位させる場合について説明したが、これに限られず、被測定物１側を対物レンズ３の光軸方向に変位させてもよい。

図４は、本発明による微小高さ測定装置の第２の実施形態を示す正面図である。この微小高さ測定装置は、被測定物１と対向して配設され、光ビームを被測定物１上に集光する対物レンズ３と、該対物レンズ３に対して上記被測定物１と反対側に配設されており、図５に示すように光ビームを照射する光源２と、光源２からの光ビームが被測定物１方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段４と、上記被測定物１上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を測定点選択手段４を介して検出する光検出手段５と、少なくとも上記測定点選択手段４を上記対物レンズ３と切り離して被測定物１への光ビームの照射方向に変位させる変位手段６と、該変位手段６の変位を制御すると共に測定点選択手段４の変位量及び光検出手段５で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路１６とを有する変位計ユニット１７と、該変位計ユニット１７の測定点選択手段４の各マイクロミラーを個別に駆動制御し、上記変位手段６の変位を制御すると共に、上記変位計ユニット１７から出力された変位量及び光の輝度のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める例えばホストコンピュータからなる制御手段１８と、を備えたものである。

そして、上記対物レンズ３と、被測定物１の像を上記測定点選択手段４のミラー面に結像する結像レンズ８とを鏡筒１９内に備えて顕微鏡を構成している。なお、図５において、符号１９は変位手段６を駆動するモータドライバであり、符号２０はモータドライバ１９を制御するモータコントローラであり、符号２１は、光ビームを反射する反射ミラーであり、符号２２は測定点選択手段４で反射される不要光を吸収する光吸収器である。

以下、上記第２実施形態の動作及びそれを用いて行う微小高さ測定方法を、図６を参照して詳細に説明する。なお、図６は、測定点をマニュアル設定して行う場合について示している。
先ず、図６に示すステップＳ１１において、対物レンズ３を介して取得した被測定物１上の像を上記顕微鏡の鏡筒１９に取り付けられた図示省略のオートフォーカス用カメラで撮像して対物レンズ３の焦点を被測定物１上に合わせる。

ステップＳ１２においては、オペレータがホストコンピュータからなる制御手段１８に予め入力して設定した変位計ユニット１７の変位速度及び変位量データを取得するためのサンプリング間隔並びにそのサンプリング回数等の各種パラメータを変位計ユニット１７に入力してメモリ１１に保存する。

ステップＳ１３においては、予め測定して制御手段１８に保存された測定点の座標位置のうち、第１番目の測定点の座標データに基づいて例えば顕微鏡をＸＹ軸方向に移動し、第１番目の測定点を上記対物レンズ３の視野内に設定する。この場合、対物レンズ３を介して取得した被測定物１上の像を上記顕微鏡の鏡筒１９に取り付けられた図示省略の観察用カメラで撮像してこれを上記制御手段１８の表示部に表示する。なお、顕微鏡の移動は、オペレータが表示部に表示された像を観察しながら手動で行ってもよい。また、移動するのは顕微鏡側ではなくて被測定物１側であってもよい。

ここで、オペレータが表示部の画面上で制御手段１８に備えるマウスのカーソル２３を上記測定点の近傍部の平坦面を参照点として選択してマウスをクリックして確定し、さらに上記測定点にカーソル２３を合わせてクリックして測定点を確定する。これにより、制御手段１８から測定点選択手段４の上記参照点と測定点に対応するマイクロミラーを駆動するためのフレーム情報が作成されて変位計ユニット１７に出力される。なお、測定点が接近していて、例えば図７（ａ）に示すように同一視野内に複数点、例えば二つの測定点が観察されたときには、マウスで先ず参照点として任意に選択した平坦な面上の点Ｒをクリックし、次に測定点の点Ｐ１をクリックし、さらに点Ｐ２をクリックにする。そして、上記フレーム情報は、制御及び処理部１２を介して測定点選択手段４に送られ、そこに備える図示省略のメモリに一旦保存される。

ステップＳ１４において、変位計ユニット１７の制御及び処理部１２は、オートフォーカスや被測定面を観察するために点灯していた図示省略の照明用光源をOFFすると共に測定用の光源２、例えばレーザ光源をONする。

ステップＳ１５においては、上記フレーム情報に基づいて測定点選択手段４が駆動されて、上記参照点Ｒ及び測定点Ｐ１，Ｐ２に対応するマイクロミラーが光源２からの光ビームを被測定物１方向に反射するように傾けられる。

ステップＳ１６においては、制御及び処理部１２は、変位計制御回路１６のメモリ１１に保存された各種パラメータから、変位計ユニット１７を変位させるための速度データとサンプリング間隔のデータを読み出してモータコントローラ２０に送る。モータコントローラ２０は、上記各データに基づいてモータドライバ１９をパルス制御して変位手段６を駆動し、変位計ユニット１７を所定量だけ変位させる。

変位計ユニット１７が変位されると、制御及び処理部１２で生成された変換タイミング信号がＡ／Ｄ変換部１３に出力され、該Ａ／Ｄ変換部１３が所定時間だけ駆動されて指定された被測定物１の上記参照点Ｒ及び測定点Ｐ１，Ｐ２からの反射及び散乱されて光検出手段５で検出された光の輝度データを上記指定順番に取り込む。そして、この時の変位計ユニット１７の変位量のデータ及び光検出手段５で検出された輝度データを互いに関連付けてメモリ１１に保存する。

ステップＳ１７においては、予め設定されたサンプリング回数の測定が全て終了したか否かを制御及び処理部１２で判定する。ここで、上記参照点Ｒ及び測定点Ｐ１，Ｐ２に対する測定が終了していないときには、“ＮＯ”判定となってステップＳ１６に戻り、変位計ユニット１７をさらに所定量変位して上記各点における新たな変位量及び輝度データを取得する。一方、上記参照点Ｒ及び測定点Ｐ１，Ｐ２に対する全ての測定が終了すると、“ＹＥＳ”判定となってステップＳ１８に進む。なお、トータル変位量は、モータコントローラ２０の１パルス当りの変位計ユニット１７の移動量が予め分かっている場合にはパルス数をカウントして検出することができる。

ステップＳ１８においては、被測定物１上に設定された全ての測定点に対する高さ測定が終了したか否かを制御及び処理部１２で判定する。ここで、まだ測定が終了していないときには、“ＮＯ”判定となってステップＳ１９に進み、光源２をOFFすると共に証明用光源をONする。そして、ステップＳ１６に戻り、顕微鏡を次の測定点に設定して上述と同様にして上記測定点の高さ測定を行う。一方、全ての測定点に対する測定が終了したときには、“ＹＥＳ”判定となってステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０においては、参照点及び各測定点における測定データをメモリ１１から読み出して制御手段１８に送る。制御手段１８は、入力した参照点及び各測定点における測定データに基づいて各点の最大輝度値を示す変位量を各点における高さとして定める。そして、上記各測定点、例えば点Ｐ１，Ｐ２の高さを参照点Ｒの高さと比較して相対高さを算出し、図７（ｂ）に示すように表示部に各測定点に対応してその高さの値を表示する。なお、表示方法は、上記方法に限られず、リスト表示等いかなる方法であってもよい。

なお、上述したような測定点をマニュアル設定して測定する方法に限らず、測定点を自動設定して測定するようにしてもよい。この場合、図６のステップＳ１３において、制御手段１８で各測定点の測定順番を予め自動設定して保存しておく。次に、図８に示すように、例えば顕微鏡を移動して対物レンズ３の視野内に第１番目の測定点Ｐ１を引き込む。さらに、図示省力の観察用カメラによる取得画像を画像処理して画面中央と測定点Ｐ１との距離を測定し、同図（ｂ）に示すように同寸法だけ顕微鏡を微動して上記測定点Ｐ１を対物レンズ３の光軸に合致させて測定点を設定する。また、同図（ｃ）に示すように、測定点Ｐ１の近傍にて所定距離はなれた点を参照点として設定する。この場合、例えば予め測定して制御手段１８に保存されている測定点Ｐ１の測定データのうちからそのサイズ情報を得て、所定方向にそのサイズの何倍かはなれた点を参照点Ｒとして設定するようにしてもよい。このようにして、測定点Ｐ１と参照点Ｒが設定されると、測定点Ｐ１に対応した測定点選択手段４のマイクロミラーであって、上記対物レンズ３の光軸と合致したマイクロミラー及び上記参照点Ｒに対応したマイクロミラーを駆動するためのフレーム情報を制御手段１８で作成して変位計ユニット１７に出力する。以下、ステップ１４〜２０を実行すれば、被測定物１上の各測定点の微小高さを測定することができる。

また、上記第２の実施形態によれば、測定位置におけるプロファイルを測定することができる。その測定方法は、例えば図９（ａ）に示すように、先ず観察用カメラの取得画像により測定点Ｐ１の位置を確認し、マウスでプロファイルを測定する位置を指定してそれを画面上に表示する。次に、同図（ｂ）に示すようにプロファイル測定位置に対応する測定点選択手段４のマイクロミラーを傾けて光ビームをプロファイル測定位置に照射して測定位置を確認した後、観察用の照明光源をOFFして変位計ユニット１７を所定のステップで変位させながら上記測定位置上の各測定点おける反射及び散乱光の輝度を測定する。そして、各点における最大輝度値及び変位量データに基づいて各点の高さを算出し、同図（ｃ）に示すように測定されたプロファイル情報を画面上に表示する。

なお、以上の説明においては、光源２が一つレーザ光源の場合について述べたが、これに限られず、光源２は波長の異なる複数のレーザ光源又は白色光源であってもよく、それらを切換スイッチで切り換えて使用してもよい。被測定物の測定点における下地の色に応じてレーザ光源の波長又は白色光源を選択するとよい。レーザ光源は、輝度が高いため測定感度を向上することができ、白色光源は、被測定物の下地の色に影響されることなく測定することができる。

また、光検出手段５はＰＭＴに限らず、ＣＣＤやＣＭＯＳの撮像素子であってもよく、それらを切換スイッチで切り換えて使用してもよい。この場合、ＰＭＴは、一点ずつの測定に限られるが、光の検出感度が高いため測定精度を向上することができる。一方、撮像素子は検出感度が低いものの同時に多点の測定が可能であるため測定速度を向上することができる。

さらに、光検出手段５としてＣＣＤやＣＭＯＳ等の二次元撮像素子を使用した場合には、被測定物の三次元形状を測定することができる。その測定方法は、図１０（ａ）に示すような観察用カメラの観察範囲に対応して同図（ｂ）に示すように測定点選択手段４のマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}が設けられているとき、図１１（ａ）に黒く塗りつぶして示すようにマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}を例えば二枚おきに傾けて光源２からの光ビームを図５に実線で示すように被測定物１に向けて反射し、被測定物１からの反射及び散乱光を同じマイクロミラーで同図に破線で示すように反射し、二次元撮像素子からなる光検出手段５でその反射光を検出して二次元画像の輝度データを取得する。以下、図１１（ｂ）に拡大して示すようにマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}を、例えば同図に数字を付して示す順番に傾けて九枚の二次元画像を取得し、各二次元画像の輝度データを取得する。なお、他の部分のマイクロミラーも図１１（ｂ）に示す順番で傾けられる。

次に、変位計ユニット１７を所定方向に所定量変位させて、上述と同様にして九枚の二次元画像を取得して各二次元画像の輝度データを取得する。以下、これを繰り返して被測定物１の高さ方向の二次元画像の輝度データを全て取り終えると、各マイクロミラーに対応する被測定物１上の各測定点の最大輝度値を示す変位量を制御手段１８で算出してそれを各測定点の高さとして求める。そして、その結果を制御手段１８の表示部に表示させることにより、被測定物１の三次元形状を表すことができる。なお、被測定物１上の隣接する測定点からの反射及び散乱光がマイクロミラー上で干渉するのを避けるためには、同時に傾けるマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}は少なくとも一枚おきとするのがよく、好ましくはマイクロミラーが15μm×15μmの場合には、15μm×４（枚）＝60μm以上離れているのがよい。これにより、光の干渉を回避して高さ測定を高精度に行うことができる。

さらに、本発明の微小高さ測定装置においては、測定点選択手段４が複数のマイクロミラー１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}をマトリクス状に配列したものである場合について説明したが、測定点選択手段４は透過型の液晶パネルであってもよい。この場合は、液晶パネルの各セルを個別に駆動して光を透過させて、測定点を任意に選択すればよい。

本発明による微小高さ測定装置の実施形態を示す概念図である。 上記微小高さ測定装置の制御手段の構成を示すブロック図である。 本発明による微小高さ測定装置の動作及びそれを用いて実施する微小高さ測定方法について説明するフローチャートである。 本発明による微小高さ測定装置の第２の実施形態を示す正面図である。 上記第２の実施形態の変位計ユニットの構成を示すブロック図である。 上記第２の実施形態の動作及びそれを用いて測定点をマニュアル設定して行う微小高さ測定方法を説明するフローチャートである。 上記測定点をマニュアル設定する方法を示す説明図である。 上記測定点を自動設定する方法を示す説明図である。 指定した測定位置におけるプロファイルを測定する方法を示す説明図である。 観察用カメラによる被測定物上の撮像画像の例と、その観察範囲に対応して設けられた測定点選択手段のマイクロミラーの配列例を示す平面図である。 上記測定点選択手段において同時に傾けるマイクロミラーの一例を示す説明図である。

符号の説明

１…被測定物
２…光源
３…対物レンズ
４…測定点選択手段
５…光検出手段
６…変位手段
７，１８…制御手段
１０_{（１，１）}〜１０_{（ｍ，ｎ）}，１０_{（１，ｉ）}…マイクロミラー
１１…光分岐手段
１６…変位計制御回路
１７…変位計ユニット

Claims (12)

1. 光ビームを被測定物上に集光する対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段の当該マイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを傾けて光源からの光ビームを被測定物方向に反射させ、
   前記少なくとも一のマイクロミラーで反射された光ビームを前記対物レンズにより被測定物上に集光し、
   該被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段の前記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出し、
   前記被測定物を前記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させてその変位量を検出し、
   前記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出された光の輝度及び前記検出された変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める、
   ことを特徴とする微小高さ測定方法。
2. 前記測定点選択手段は、複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動することを特徴とする請求項１記載の微小高さ測定方法。
3. 光ビームを照射する光源と、
   前記光源からの光ビームを被測定物上に集光する対物レンズと、
   該対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、前記光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、
   前記被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、
   前記被測定物を前記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させると共にその変位量を検出して出力する変位手段と、
   前記測定点選択手段の各マイクロミラーを個別に駆動制御し、前記変位手段の変位を制御すると共に、前記光検出手段で検出された光の輝度及び前記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める制御手段と、
   を備えたことを特徴とする微小高さ測定装置。
4. 被測定物に照射する光ビームを発生する光源と、該光源からの光ビームが前記被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、前記測定点選択手段を前記被測定物への光ビームの照射方向に変位させる変位手段と、該変位手段の変位を制御すると共に前記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路とを有する変位計ユニットと、
   前記変位計ユニットの光源からの光ビームを前記被測定物上に集光する対物レンズと、
   前記変位計ユニットの測定点選択手段の各マイクロミラーを個別に駆動制御すると共に、前記変位計ユニットから出力された変位量及び光の輝度のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める制御手段と、
   を備えたことを特徴とする微小高さ測定装置。
5. 前記制御手段は、前記測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動させることを特徴とする請求項３又は４記載の微小高さ測定装置。
6. 前記光検出手段は、前記光源と前記測定点選択手段との間の光路上に配設されて、前記測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の微小高さ測定装置。
7. 前記光検出手段は、光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能としたものであることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の微小高さ測定装置。
8. 前記光源は、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能としたものであることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の微小高さ測定装置。
9. 被測定物に照射する光ビームを発生する光源と、
   該光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、
   前記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、
   前記測定点選択手段を前記被測定物への光ビームの照射方向に変位させる変位手段と、
   該変位手段の変位を制御すると共に、前記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路と、
   を備えたことを特徴とする変位計ユニット。
10. 前記光検出手段は、前記光源と前記測定点選択手段との間の光路上に配設されて、前記測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光することを特徴とする請求項９に記載の変位計ユニット。
11. 前記光検出手段は、光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能としたものであることを特徴とする請求項９又は１０記載の変位計ユニット。
12. 前記光源は、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能としたものであることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の変位計ユニット。

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