JP6685849B2 - 光干渉測定装置及び光干渉測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光の干渉によって生じる干渉縞の輝度情報を用いて測定対象物の形状を測定する光干渉測定装置及び光干渉測定方法に関する。

光の干渉によって生じる干渉縞の輝度情報を用いて、例えば測定対象物の三次元形状を精密に測定する、三次元形状測定装置などの光干渉測定装置が従来から知られている。この光干渉測定装置においては、光源に広帯域光（白色光等）を用いる手法が広く知られている（例えば、特許文献１参照）。白色光光源を用いる光干渉測定装置は、ナノメートルオーダ分解能での微細形状測定が可能であり、半導体業界をはじめとした幅広い業界において、幅・高さ等の形状測定や表面の性状検査等に利用されている。

図６は、マイケルソンタイプの干渉対物レンズ３０を備える光干渉測定装置１の基本構成を示す模式図である。光源１１から出射された光は、コリメータレンズ１２で平行ビームとされて干渉対物レンズ３０の光軸に直角な方向からビームスプリッタ２０に入射する。ビームスプリンタ２０はこの平行ビームを干渉対物レンズ３０の光軸に沿った方向に向きを変えて出射し、対物レンズ３１に入射させる。対物レンズ３１を経た光は収束光となってビームスプリッタ３２に入射する。ビームスプリッタ３２に入射した光は、参照ミラー３３が配置された参照光路を進む光と測定対象物Ｗが配置された測定光路を進む光とに分岐される。分岐後、参照光路を進んだ光は収束して参照ミラー３３で反射され再びビームスプリッタ３２に入射する。また、測定光路を進んだ光は収束して測定対象物Ｗを照射し、そこで反射されて再びビームスプリッタ３２に入射する。ビームスプリッタ３２に入射した各反射光は合成されて出射され、対物レンズ３１で平行ビームとなって、ビームスプリッタ２０を通過して結像レンズ４０に入射する。結像レンズ４０は平行ビームを収束させ撮像手段５０上に干渉画像を結像させる。

白色光光源を用いる光干渉測定装置においては、参照光路と測定光路の光路長が一致するピント位置では各波長の干渉縞のピークが重なり合い合成される干渉縞の輝度が大きくなる。したがって、参照光路または測定光路の光路長を変化させながら干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像をＣＣＤカメラ等の撮像手段により撮影し、撮影視野内の各測定位置で干渉光の強度がピークとなるピント位置を検出することで、各測定位置における測定面の高さを測定し、測定対象物の三次元形状などを測定することができる。

光干渉測定装置では、段差を有する測定対象物の広視野一括測定を実現するために、テレセントリック光学系が広く利用されている（特許文献２参照）。テレセントリック光学系は、レンズの一方の側の焦点に光線を制御する絞りを設けることで、絞りの中心を通る光線（以下「主光線」という。）がレンズの他方の側において光軸と平行となるようにした光学系である。テレセントリック光学系においては、レンズの他方の側に光軸方向（Ｚ軸方向）に段差がある測定対象物を配置し、これに光を照射したとき、測定対象物のどこからでも光軸に平行な反射光が光学系に取り込まれる。そのため、測定対象物の位置がＺ軸方向に変化しても、Ｚ軸に直交するＸ、Ｙ軸方向の像の大きさは変化しないため、測定対象物に段差があってもＺ軸に直交するＸ、Ｙ軸方向の形状を精度よく測定することができる。

図６に示す模式図に示す光干渉測定装置１もテレセントリック光学系を利用したものであり、対物レンズ３１の結像レンズ４０側の焦点位置に絞り６０を設けることで、対物レンズ４１の他方の側に配置した測定対象物Ｗのどこからでも光軸に平行な反射光が光学系に取り込まれるため、測定対象物ＷのＸ、Ｙ軸方向の形状を精度よく測定することが可能となっている。

なお、図６に示す模式図の光干渉測定装置１では、対物レンズ３１の結像レンズ４０側の焦点位置に、更に結像レンズ４０の対物レンズ３１側の焦点位置を一致させ、この焦点位置に絞り６０を設けた場合を示したものである。これにより、主光線が対物レンズ３１の測定対象物Ｗ側で光軸と平行になると共に、結像レンズ４０の撮像手段５０側においても光軸と平行になる（両側テレセントリック）。そのため、光学系から撮像手段５０の像面に達する光束を像面のどこにも垂直に入射させることができ、光束の斜入射による受光効率の低下を防ぐことができる。

特開２０１１−１９１１１８号公報 特開２００３−２３２９９９号公報

低倍率の対物レンズを使用すると広視野での測定が可能になるが、一方で開口数（ＮＡ）が小さくなるため、対物レンズによる測定対象物の追従角度が低下する傾向がある。

図７は、対物レンズ３１を経て入射した入射光８１が、測定対象物Ｗで反射され、反射光８２として対物レンズ３１を経て出射される様子を示したものである。

図７(a)は対物レンズ３１の光軸８０が測定対象物Ｗの表面に対して垂直である場合であり、この場合、反射光８２の光軸が対物レンズ３１の光軸８０と一致し、対物レンズ３１を経て測定対象物Ｗで反射された光の全てが対物レンズ３１に再び入射する。一方、図７(b)は測定対象物ＷがＡ度傾斜していることで、対物レンズ３１の光軸８０が測定対象物Ｗの表面に対して垂直でない場合であり、この場合、反射光８２の光軸が対物レンズ３１の光軸と一致しなくなる。このとき、光軸８０となす角度が対物レンズ３１で取り込める角度θｒの範囲内の反射光８２のみが対物レンズ３１に入射し、残りの反射光８２は対物レンズ３１に取り込むことができない。特に、測定対象物Ｗが追従測定対象物角度（測定対象物が傾斜しているときに、対物レンズが測定対象物で反射された光線を捉えることができる、測定対象物の最大の傾斜角度）を超えて傾斜している場合は、反射光８２を対物レンズ３１で取り込むことができず、測定不能になってしまう。

図８は、対物レンズ３１の一方の焦点位置に設けられた絞り６０を経て対物レンズ３１の一方の側に入射した光が、他方の側で光軸８０と平行になって測定対象物Ｗに到達するテレセントリック光学系において、測定対象物Ｗに達した入射光８１が測定対象物Ｗの表面性状に応じて異なる反射態様を示すことを説明する図である。図８(a)は表面が光軸８０に対して垂直かつ平坦な測定対象物Ｗの場合であり、測定対象物Ｗによる反射光８２は入射光８１の軌跡を逆向きに辿り、対物レンズ３１に入射する。これに対し、図８(b)は表面が凸形状の測定対象物Ｗの場合であり、測定対象物Ｗによる反射光８２は入射光８１の軌跡に対して外側に逸れる。特に、凸形状の曲率半径が小さく、測定対象物Ｗの傾斜が対物レンズ３１の追従測定対象物角度より大きくなる場合には、反射光８２を取り込むことができない。また、図８(c)は表面が凹形状の測定対象物Ｗの場合であり、測定対象物Ｗによる反射光８２は入射光８１の軌跡に対して内側に逸れる。特に、凹形状の曲率半径が小さく、測定対象物Ｗの傾斜が対物レンズ３１の追従測定対象物角度より大きくなる場合には、反射光８２を取り込むことができない。

本発明の目的は、測定対象物の光軸に対して垂直でない表面部分からの反射光を光学系に取り込むことが可能な光干渉測定装置及び光干渉測定方法を提供することにある。

（１）本発明の光干渉測定装置は、光源、干渉対物レンズ、撮像手段、及び絞りを備える。光源は白色光などの光を出射する。干渉対物レンズは、参照光路に配置される参照ミラーと、光源から入射した光を参照光路と測定光路とに分岐するとともに参照ミラーを経た反射光と測定光路に配置された測定対象物を経た反射光とを合成した合成光を出力するビームスプリッタと、を備える。撮像手段は、ビームスプリッタから出力された合成光が結像した画像を撮像する。絞りは、干渉対物レンズと光源及び撮像手段との間の光路上に、干渉対物レンズの光軸方向に移動可能に設けられ、光線の経路を制御する。

主光線が干渉対物レンズから測定対象物に垂直に照射されたときに、最も効率よく反射光が干渉対物レンズに取り込まれる。そのため、例えば、測定対象物が凸形状の場合には、測定対象物に照射する主光線は光軸に近づくように傾斜していることが望ましく、測定対象物が凹形状の場合には、測定対象物に照射する主光線は光軸から離れるように傾斜していることが望ましい。本発明の構成によれば、絞りを干渉対物レンズの焦点位置より干渉対物レンズ側に移動することで、主光線を光軸に近づくように傾斜させることができる。また、絞りを干渉対物レンズの焦点位置より干渉対物レンズ側に移動することで、主光線を光軸から離れるように傾斜させることができる。これにより、測定対象物の光軸に対して垂直でない表面部分においても、測定対象物への主光線の照射角度を垂直に近づけることができ、測定対象物からの反射光を光学系に取り込みやすくなる。そして、測定対象物が凸形状、凹形状の場合には、対物レンズの追従測定対象物角度に基づく凹凸の曲率半径の制限が緩和される。

（２）参照ミラーを形状の異なる別の参照ミラーに交換又は切替可能に構成してもよい。絞りの位置を変化させることで、主光線が光軸に対して傾斜するが、この主光線の光軸に対する傾斜は測定光路のみならず参照光路においても発生する。平坦な参照ミラーに主光線が傾斜して入射すると、入射してきた方向とは異なる方向に反射し、反射光を効率よく対物レンズで取り込むことができない。主光線が入射してきた方向に垂直な面と参照ミラーとがなす角度が対物レンズの追従測定対象物角度より大きくなる場合、参照ミラーからの反射光を対物レンズで取り込めなくなる。そこで、絞りの位置に応じて、主光線が参照ミラーを垂直に近い角度で照射する形状の別の参照ミラーに交換又は切替可能に構成することで、参照ミラーからの反射光を対物レンズが効率的に取り込むことができる。

（３）測定対象物が凸形状の場合には、絞りを干渉対物レンズの撮像手段側の焦点位置より撮像手段側に移動するとともに、凸形状の参照ミラーを適用するとよい。これにより、主光線が垂直に近い角度で測定対象物及び参照ミラーに照射されるように制御できるため、各反射光を対物レンズに効率的に取り込むことができる。

（４）測定対象物が凹形状の場合には、絞りを干渉対物レンズの撮像手段側の焦点位置より干渉対物レンズ側に移動し、凹形状の参照ミラーを適用するとよい。これにより、主光線が垂直に近い角度で測定対象物及び参照ミラーに照射されるように制御できるため、各反射光を対物レンズに効率的に取り込むことができる。

（５）絞りと撮像手段との間の光路上に、焦点位置を絞りの位置に移動可能な結像レンズを備えてもよい。絞りの位置に結像レンズの焦点を合わせることで、結像レンズと撮像手段との間がテレセントリックになり、撮像手段の像面に達する光束を像面のどこにも垂直に入射させることができるため、光束の斜入射による受光効率の低下を防ぐことができる。

（６）光源と絞りとの間の光路上に、焦点位置を絞りの位置に移動可能なコリメータレンズを備えてもよい。絞りの位置にコリメータレンズの焦点を合わせることで、絞りを移動させたことによる測定対象物に照射される光量の低下を防ぐことができる。

（７）干渉対物レンズの方式は、例えば、マイケルソン型、ミロー型及びリニーク型を適用することができる。

（８）本発明の光干渉測定方法は、光源、光源から入射した光を参照光路と測定光路とに分岐するとともに参照光路に配置された参照ミラーを経た反射光と測定光路に配置された測定対象物を経た反射光とを合成した合成光を出力する干渉対物レンズ、合成光が結像した画像を撮像する撮像手段、及び干渉対物レンズと光源及び撮像手段との間の光路上に干渉対物レンズの光軸方向に移動可能に設けられた絞りを備える光干渉測定装置を用いて、測定対象物が凸形状の場合は、絞りを干渉対物レンズの撮像手段側の焦点位置より撮像手段側に、測定対象物が凹形状の場合は、絞りを干渉対物レンズの撮像手段側の焦点位置より干渉対物レンズ側に、移動させて測定を行う。

主光線が干渉対物レンズから測定対象物に垂直に照射されたときに、最も効率よく反射光が干渉対物レンズに取り込まれる。そのため、測定対象物が凸形状の場合には、測定対象物に照射する主光線は光軸に対して内側に向いていることが望ましく、測定対象物が凹形状の場合には、測定対象物に照射する主光線は光軸に対して外側に向いていることが望ましい。本発明の構成によれば、絞りを干渉対物レンズの焦点位置より干渉対物レンズ側に移動することで測定対象物を照射する主光線を内側に向けることができる。また、絞りを干渉対物レンズの焦点位置より干渉対物レンズ側に移動することで測定対象物を照射する主光線を外側に向けることができる。これにより、測定対象物の光軸に対して垂直でない表面部分においても、測定対象物への主光線の照射角度を垂直に近づけることができ、測定対象物からの反射光を光学系に取り込みやすくなる。そして、測定対象物が凸形状、凹形状の場合には、対物レンズの追従測定対象物角度に基づく凹凸の曲率半径の制限が緩和される。

（９）測定対象物が凸形状の場合は凸形状の参照ミラーを用い、測定対象物が凹形状の場合は凹形状の前記参照ミラーを用いて測定を行ってもよい。これにより、主光線が垂直に近い角度で測定対象物及び参照ミラーに照射されるように制御できるため、各反射光を対物レンズに効率的に取り込むことができる。

（１０）絞りと撮像手段との間の光路上に設けられた結像レンズの焦点位置を、絞りの位置に移動して測定を行ってもよい。絞りの位置に結像レンズの焦点を合わせることで、結像レンズと撮像手段との間がテレセントリックになり、撮像手段の像面に達する光束を像面のどこにも垂直に入射させることができるため、光束の斜入射による受光効率の低下を防ぐことができる。

（１１）光源と絞りとの間の光路上に設けられたコリメータレンズの焦点位置を、絞りの位置に移動して測定を行ってもよい。絞りの位置にコリメータレンズの焦点を合わせることで、絞りを移動させたことによる測定対象物に照射される光量の低下を防ぐことができる。

本発明の光干渉測定装置を実装した測定装置の全体構成例を示す斜視図である。 本発明の光干渉測定装置の構成を光路とともに示す模式図である。 絞りを光軸の方向に移動することにより主光線の向きが制御されることを説明する図である。 絞りを光軸の方向に移動することにより主光線の向きを制御する具体例を示す図である。 コンピュータシステムの構成を示すブロック図である。 従来の光干渉測定装置の構成を光路とともに示す模式図である。 測定対象物の傾斜の有無により反射光の方向が変化することを説明する図である。 測定対象物の形状により反射光の方向が変化することを説明する図である。

以下、本発明に係る光干渉測定装置を実装した測定装置１００について、図面を参照しつつ説明する。なお、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、測定装置１００の全体構成を示す斜視図である。測定装置１００は、非接触型の画像測定装置１１０と、この画像測定装置１１０を駆動制御すると共に、必要なデータ処理を実行するコンピュータシステム１２０とを備える。なお、測定装置１００は、これらの他、計測結果等をプリントアウトするプリンタ等を適宜備えてもよい。

画像測定装置１１０は、架台１１１と、試料台（ステージ）１１２と、支持アーム１１３ａおよび１１３ｂと、Ｘ軸ガイド１１４と、撮像ユニット１１５とを備える。図１に示されるように、画像測定装置１１０は、フロアに設置された除振台１３０上に配置される。除振台１３０はフロアの振動が台上の測定装置に伝搬するのを防ぐ。除振台１３０はアクティブ型及びパッシブ型のいずれであってもよい。除振台１３０の天板上には架台１１１が配置され、その上に、測定対象物Ｗを載置するステージ１１２がその上面をベース面として水平面と一致するように載置される。ステージ１１２は、図示しないＹ軸駆動機構によってＹ軸方向に駆動され、測定対象物Ｗを撮像ユニットに対してＹ軸方向に移動可能とされている。架台１１１の両側縁中央部には上方に延びる支持アーム１１３ａ、１１３ｂが固定され、この支持アーム１１３ａ、１１３ｂの両上端部を連結するようにＸ軸ガイド１１４が固定される。このＸ軸ガイド１１４は、撮像ユニット１１５を支持する。撮像ユニット１１５は、図示しないＸ軸駆動機構によってＸ軸ガイド１１４に沿って駆動される。

撮像ユニット１１５は、測定対象物Ｗの二次元画像を撮像する画像光学ヘッド１１５ａおよび光干渉測定により測定対象物Ｗの三次元形状を測定する本発明の光干渉測定装置である光干渉光学ヘッド１１５ｂを着脱可能に備え、いずれかのヘッドを用いて、コンピュータシステム１２０が設定する測定位置で測定対象物Ｗを測定する。また、コンピュータシステム１２０からの移動指令によって光干渉光学ヘッド１１５ｂを光軸方向（すなわちＺ軸方向）に移動させる図示しない光干渉光学ヘッド駆動手段を備える。

画像光学ヘッド１１５ａの測定視野は光干渉光学ヘッド１１５ｂの測定視野よりも通常広く設定し、コンピュータシステム１２０による制御により、両ヘッドを切り替えて使用できる。画像光学ヘッド１１５ａと光干渉光学ヘッド１１５ｂは、一定の位置関係を保つよう、共通の支持板により支持され、切り替えの前後で測定の座標軸が変化しないよう予めキャリブレーションされる。

画像光学ヘッド１１５ａは、ＣＣＤカメラ、照明装置、フォーカシング機構等を備え、測定対象物Ｗの二次元画像を撮影する。撮影された二次元画像のデータはコンピュータシステム１２０に取り込まれる。

図２は、光干渉光学ヘッド１１５ｂの構成を光路とともに示す模式図である。光干渉光学ヘッド１１５ｂは、図２に示すように照明部１０、ビームスプリッタ２０、干渉対物レンズ３０、結像レンズ４０、撮像手段５０、及び絞り６１を備える。なお、ここでは干渉対物レンズ３０にマイケルソン型を適用した場合で説明するが、ミロー型やリニーク型を適用した場合でも同様な原理により同様な効果を得ることができる。

照明部１０は、光源１１とコリメータレンズ１２を備える。光源１１は、広帯域にわたる多数の波長成分を有しコヒーレンシーの低い広帯域光を出力する光源であり、例えば、ハロゲンやＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの白色光源が用いられる。コリメータレンズ１２は、光源１１から入射した光を平行にしてビームスプリッタ２０に照射する。ビームスプリッタ２０は、干渉対物レンズ３０（対物レンズ３１）の光軸と直角な方向から照射された照明部１０からの平行ビームを、干渉対物レンズ３０の方向に向きを変えて出射する。干渉対物レンズ３０は、対物レンズ３１、ビームスプリッタ３２、及び参照ミラー３３を備える。ビームスプリッタ２０から対物レンズ３１に入射した平行ビームは収束光となり、ビームスプリッタ３２で参照光路と測定光路に分岐される。参照光路を進んだ光は収束して参照ミラー３３で反射され、広がりながら再びビームスプリッタ３２に入射する。測定光路を進んだ光は収束して測定対象物Ｗを照射し、そこで反射されて広がりながら再びビームスプリッタ３２に入射する。ビームスプリッタ３２に入射した各反射光は合成されて出射され、対物レンズ３１で平行ビームとなって、ビームスプリッタ２０を通過して結像レンズ４０に入射する。結像レンズ４０は合成光（測定対象物Ｗからの反射光と参照ミラー３３からの反射光）を収束させ撮像手段５０上に干渉画像を結像させる。撮像手段５０は、２次元の撮像素子からなるＣＣＤカメラ等であり、合成光の干渉画像を撮像する。撮像された画像のデータはコンピュータシステム１２０に取り込まれる。絞り６１は、干渉対物レンズ３０と照明部１０及び結像レンズ４０との間の光路上に、干渉対物レンズ３０の光軸方向に移動可能に設けられる。絞り６１の移動は、例えば、コンピュータシステム１２０による制御の下、図示しない絞り駆動手段により行う。

図３は、絞り６１を光軸８０の方向に移動することにより主光線（絞り６１の中心を通る光線）の向きが制御されることを説明する図である。図３(a)は絞り６１が対物レンズ３１の一方の焦点位置６５にある場合であり、この場合には対物レンズ３１を経た主光線９０が光軸８０と平行になるテレセントリックな状態となる。これに対し、図３(b)は絞り６１を焦点位置からより対物レンズ３１側に移動させた場合であり、絞り６１を対物レンズ３１に近づければ近づけるほど対物レンズ３１を経た主光線９０は光軸８０に近づくように傾斜する。また、図３(c)は絞り６１を焦点位置６５から撮像手段５０側に移動させた場合であり、絞り６１を撮像手段５０に近づければ近づけるほど対物レンズ３１を経た主光線９０は光軸８０から離れるように傾斜する。

光学系のこのような特徴を利用することで、測定対象物Ｗの光軸に対して垂直でない表面部分からの反射光を光学系に取り込みやすくなる。すなわち、主光線が干渉対物レンズから測定対象物に垂直に照射されたときに最も効率よく反射光が干渉対物レンズに取り込まれるため、絞りを移動し、主光線の向きを制御することで測定対象物Ｗへの主光線の照射角度を垂直に近づけることができる。

例えば、測定対象物Ｗの表面性状が凸形状や凹形状の場合には、対物レンズ３１の追従測定対象物角度に基づく凹凸の曲率半径の制限を緩和することができる。測定対象物Ｗの表面性状が凸形状の場合、測定対象物Ｗの表面の垂直方向は光軸８０から離れていく方向であるため、主光線９０を垂直に近い角度で測定対象物Ｗに照射するには、主光線９０が光軸８０に近づくように主光線９０の向きを制御すればよい。すなわち、その場合は図４(a)に示すように絞り６１を焦点位置６５から撮像手段５０側に移動すればよい。これにより、主光線９０の測定対象物Ｗへの照射角度を垂直に近づけることができる。そのため、主光線９０の向きを制御しない場合と比べ、より小さい曲率半径の凸形状の場合にも対物レンズ３１に反射光を入射させることができる。また、測定対象物Ｗの表面性状が凹形状の場合、測定対象物Ｗの表面の垂直方向は光軸８０に近づいていく方向であるため、主光線９０を垂直に近い角度で測定対象物Ｗに照射するには、主光線９０が光軸８０から離れていくように主光線９０の向きを制御すればよい。すなわち、その場合は図４(b)に示すように絞り６１を焦点位置６５から対物レンズ３１側に移動すればよい。これにより、主光線９０の測定対象物Ｗへの照射角度を垂直に近づけることができる。そのため、主光線９０の向きを制御しない場合と比べ、より小さい曲率半径の凹形状の場合にも対物レンズ３１に反射光を入射させることができる。

絞り６１の位置を変化させることで、主光線９０が光軸８０に対して傾斜するが、この主光線９０の光軸８０に対する傾斜は測定光路のみならず参照光路においても発生する。平坦な参照ミラー３３に主光線９０が傾斜して入射すると、入射してきた方向とは異なる方向に反射し、反射光を効率よく対物レンズ３１で取り込むことができない。特に、主光線９０が入射してきた方向に垂直な面と参照ミラー３３とがなす角度が対物レンズ３１の追従測定対象物角度より大きくなる場合、参照ミラー３３からの反射光を対物レンズ３１で取り込めなくなる。そこで、絞りの位置に応じて、主光線が参照ミラーを垂直に近い角度で照射する形状の別の参照ミラーに交換又は切替可能に構成することで、参照ミラーからの反射光を対物レンズが効率的に取り込むことができる。切替可能に構成するには、例えば、絞りの位置の所定の範囲ごとに参照ミラーを用意しておき、設定した絞りの位置に連動して該当する参照ミラーに切り替えるようにするとよい。

絞りの位置は、測定対象物の表面性状に応じて決定され、絞りの位置が決定されることで参照ミラーの望ましい表面性状が決定される。すなわち、絞りの位置は主光線が測定対象物をなるべく垂直に近い角度で照射するように決定されるため、参照ミラーの表面性状についても測定対象物の表面性状に近いものとすることで、参照ミラーに主光線が垂直に近い角度で照射される。これにより、参照ミラーからの反射光を対物レンズが効率的に取り込むことができる。例えば、測定対象物が凸形状の場合には、絞りを干渉対物レンズの撮像手段側の焦点位置より撮像手段側に移動するとともに、凸形状の参照ミラーを適用するとよい。また、測定対象物が凹形状の場合には、絞りを干渉対物レンズの撮像手段側の焦点位置より干渉対物レンズ側に移動し、凹形状の参照ミラーを適用するとよい。

絞り６１を結像レンズ４０の焦点位置に置くことで、結像レンズ４０と撮像手段５０との間がテレセントリックになり、撮像手段５０の像面に達する光束を像面のどこにも垂直に入射させることができるため、光束の斜入射による受光効率の低下を防ぐことができる。しかし、主光線の向きの制御のために絞り６１を移動すると、絞り６１の位置が結像レンズ４０の焦点位置からずれてしまう。そこで、結像レンズ４０として、焦点位置を移動可能な、例えばズーム又はバリフォーカル光学系のものを適用するとよい。これにより、絞り６１の移動に合わせて焦点位置を絞り６１の位置に移動することができ、結像レンズ４０と撮像手段５０との間をテレセントリックな状態に維持することができる。結像レンズ４０の焦点位置の移動は、例えば、コンピュータシステム１２０の制御により行う。

また、絞り６１をコリメータレンズ１２の焦点位置に置くことで、最も効率よく光源１１からの光を干渉対物レンズ３０に入射することができるが、主光線の向きの制御のために絞り６１を移動すると、絞り６１の位置がコリメータレンズ１２の焦点位置からずれてしまう。そこで、コリメータレンズ１２として、焦点位置を移動可能な、例えばズーム又はバリフォーカル光学系のものを適用するとよい。これにより、絞り６１の移動に合わせて焦点位置を絞り６１の位置に移動することができ、光源１１からの光を効率的に干渉対物レンズ３０に入射することができる。コリメータレンズ１２の焦点位置の移動は、例えば、コンピュータシステム１２０の制御により行う。

光干渉光学ヘッド駆動手段は測定に際し、参照光路と測定光路の光路長差が０となるように、光干渉光学ヘッド１１５ｂを光軸方向（すなわちＺ軸方向）に移動させることで測定光路の長さを調整する。なお、測定光路の長さの調整は、ステージ１１２を移動させることにより行うように構成してもよい。また、図示しないピエゾアクチュエータにより参照ミラー３３を光軸方向に移動させることにより参照光路の長さを調整して光路長差を０にしてもよい。

光干渉光学ヘッド１１５ｂは、コンピュータシステム１２０による制御の下、光干渉光学ヘッド駆動手段により光軸方向の位置を移動走査されながら撮像手段５０による撮像を繰り返す。撮像手段５０により撮像された各移動走査位置での干渉画像の画像データはコンピュータシステム１２０に取り込まれ、測定視野内の各位置について、干渉縞のピークが生じる移動走査位置を検出し、測定対象物Ｗの測定面の各位置における高さ（Ｚ方向位置）が求められる。

コンピュータシステム１２０は、コンピュータ本体１２１、キーボード１２２、ジョイスティックボックス（以下、Ｊ／Ｓと呼ぶ）１２３、マウス１２４及びディスプレイ１２５を備える。

図５に示すように、コンピュータ本体１２１は、制御の中心をなすＣＰＵ１２１ａと、記憶部１２１ｂと、ワークメモリ１２１ｃと、インタフェース１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇと、ディスプレイ１２５での表示を制御する表示制御部１２１ｈとを備える。

キーボード１２２、Ｊ／Ｓ１２３及びマウス１２４から入力されるオペレータの指示情報は、インタフェース１２１ｄを介してＣＰＵ１２１ａに入力される。インタフェース１２１ｅは、測定装置１１０と接続され、ＣＰＵ１２１ａからの各種制御信号を測定装置１１０に供給し、測定装置１１０から各種のステータス情報や測定結果を受信してＣＰＵ１２１ａに入力する。

画像測定モードが選択されている場合、表示制御部１２１ｈは、ディスプレイ１２５に画像光学ヘッド１１５ａのＣＣＤカメラから供給された画像信号による画像を表示する。光干渉測定モードが選択されている場合、表示制御部１２１ｈは、光干渉光学ヘッド１１５ｂにより撮影した画像、ＣＡＤデータ、光干渉光学ヘッド１１５ｂにより測定した三次元形状データ等を、ＣＰＵ１２１ａによる制御に基づき適宜ディスプレイ１２５に表示する。画像光学ヘッド１１５ａや光干渉光学ヘッド１１５ｂによる測定結果は、インタフェース１２１ｆを介してプリンタに出力することができる。また、インタフェース１２１ｇは、外部の図示しないＣＡＤシステム等により提供される測定対象物ＷのＣＡＤデータ（設計データ）を、所定の形式に変換してコンピュータシステム１２０に入力する。

ワークメモリ１２１ｃは、ＣＰＵ１２１ａの各種処理のための作業領域を提供する。記憶部１２１ｂは、例えばハードディスクドライブやＲＡＭ等により構成され、ＣＰＵ１２１ａにより実行されるプログラム、測定装置１１０による測定結果等を格納する。

ＣＰＵ１２１ａは、各インタフェースを介した各種入力情報、オペレータの指示及び記憶部１２１ｂに格納されたプログラム等に基づいて、画像光学ヘッド１１５ａによる画像測定モードと光干渉光学ヘッド１１５ｂによる光干渉測定モードとの切り替え、測定範囲の指定、絞り６１の移動、コリメータレンズ１２及び結像レンズ４０の焦点位置の移動、撮像ユニット１１５のＸ軸方向への移動、ステージ１１２のＹ軸方向への移動、画像光学ヘッド１１５ａによる二次元画像の撮像、光干渉光学ヘッド１１５ｂによる干渉画像の測定と三次元形状データの算出等の各種の処理を実行する。

本発明の光干渉測定装置の各構成要素及び各機能は、必要に応じ併合・分割しても構わない。また、本発明において表現されている技術的思想の範囲内で適宜変更が可能であり、その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含む。

本発明の光干渉測定方法をコンピュータにより実行する場合、その処理内容はプログラムによって記述される。そのプログラムは、例えば、ハードディスク装置に格納されており、実行時には、必要なプログラムやデータがＲＡＭ(Random Access Memory)に読み込まれて、そのプログラムがＣＰＵにより実行されることにより、コンピュータ上で各処理内容が実現される。

１ 光干渉測定装置 １０ 照明部 １１ 光源
１２ コリメータレンズ ２０、３２ ビームスプリッタ
３０ 干渉対物レンズ ３１ 対物レンズ ３３ 参照ミラー
４０ 結像レンズ ５０ 撮像手段 ６０、６１ 絞り
６５ 焦点位置 ８０ 光軸 ８１ 入射光
８２ 反射光 ９０ 主光線 １００ 測定装置
１１０ 画像測定装置 １１１ 架台 １１２ 試料台
１１３ａ、１１３ｂ 支持アーム １１４ Ｘ軸ガイド
１１５ 撮像ユニット １１５ａ 画像光学ヘッド
１１５ｂ 光干渉光学ヘッド １２０ コンピュータシステム
１２１ コンピュータ本体 １２１ａ ＣＰＵ
１２１ｂ 記憶部 １２１ｃ ワークメモリ
１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ インタフェース
１２１ｈ 表示制御部 １２２ キーボード
１２３ ジョイスティックボックス １２４ マウス
１２５ ディスプレイ

Claims (11)

1. 光を出射する光源と、
   参照光路に配置される参照ミラーと、入射した前記光を前記参照光路と測定光路とに分岐するとともに前記参照ミラーを経た反射光と前記測定光路に配置された測定対象物を経た反射光とを合成した合成光を出力するビームスプリッタと、を備える干渉対物レンズと、
   前記合成光が結像した画像を撮像する撮像手段と、
   前記干渉対物レンズと前記光源及び前記撮像手段との間の光路上に、前記干渉対物レンズの光軸方向に移動が可能な絞りと、
   を備えることを特徴とする光干渉測定装置。
2. 前記参照ミラーを形状の異なる別の参照ミラーに交換又は切替可能であることを特徴とする請求項１に記載の光干渉測定装置。
3. 前記絞りが前記干渉対物レンズの前記撮像手段側の焦点位置より前記撮像手段側に位置し、前記参照ミラーが凸形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光干渉測定装置。
4. 前記絞りが前記干渉対物レンズの前記撮像手段側の焦点位置より前記干渉対物レンズ側に位置し、前記参照ミラーが凹形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光干渉測定装置。
5. 前記絞りと前記撮像手段との間の光路上に、焦点位置を前記絞りの位置に移動可能な結像レンズを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
6. 前記光源と前記絞りとの間の光路上に、焦点位置を前記絞りの位置に移動可能なコリメータレンズを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
7. 前記干渉対物レンズは、マイケルソン型、ミロー型又はリニーク型の構成をとっていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
8. 光を出射する光源と、
   参照光路に配置される参照ミラーと、入射した前記光を前記参照光路と測定光路とに分岐するとともに前記参照ミラーを経た反射光と前記測定光路に配置された測定対象物を経た反射光とを合成した合成光を出力するビームスプリッタと、を備える干渉対物レンズと、
   前記合成光が結像した画像を撮像する撮像手段と、
   前記干渉対物レンズと前記光源及び前記撮像手段との間の光路上に、前記干渉対物レンズの光軸方向に移動が可能な絞りと、
   を備える光干渉測定装置を用いた光干渉測定方法において、
   前記測定対象物が凸形状の場合は、前記絞りを前記干渉対物レンズの前記撮像手段側の焦点位置より前記撮像手段側に、前記測定対象物が凹形状の場合は、前記絞りを前記干渉対物レンズの前記撮像手段側の焦点位置より前記干渉対物レンズ側に、移動させて測定を行う光干渉測定方法。
9. 前記測定対象物が凸形状の場合は凸形状の前記参照ミラーを用い、前記測定対象物が凹形状の場合は凹形状の前記参照ミラーを用いることを特徴とする請求項８に記載の光干渉測定方法。
10. 前記絞りと前記撮像手段との間の光路上に設けられた結像レンズの焦点位置を、前記絞りの位置に移動して測定を行うことを特徴とする請求項８又は９に記載の光干渉測定方法。
11. 前記光源と前記絞りとの間の光路上に設けられたコリメータレンズの焦点位置を、前記絞りの位置に移動して測定を行うことを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の光干渉測定方法。