JP2005017127A

JP2005017127A - Interferometer and shape measuring system

Info

Publication number: JP2005017127A
Application number: JP2003182958A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sunouchi; 啓洲之内; Yuichi Ogawa; 雄一小川; Norihide Takeyama; 芸英武山; Yuji Ikeda; 優二池田
Original assignee: JENESHIA KK; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: JENESHIA KK; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-01-20

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To allow a deep object field depth to be taken and make the interference fringes detectable by a detecting means such as CCD, even if the surface of the object is a slope. <P>SOLUTION: The interferometer comprises an optical source for emitting a plurality of luminous fluxes, a first optical system for splitting the plurality of luminous fluxes emitted from the optical source into a plurality of luminous fluxes passing on two optical paths by a beam splitter to irradiate a reference surface with the fluxes passing on one of the two optical paths, thereby reflecting them and for reflecting the fluxes passing on the other optical path from the surface of a sample under test after condensing them thereon, and a second optical system for generating interference fringes caused by the optical path difference between two reflected lights from the reference surface and the sample surface after the beam splitter superposes the reflected lights one above the other to be detected by a detecting means. The optical source and the sample surface are conjugate to the reference surface. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

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

となり、これより本発明による干渉計で測定可能な基準面に対する傾斜角度は６．２６度となる。
【００７４】
また、本発明による干渉計のサンプリングピッチ（＝ＣＣＤの１ピクセル÷倍率）は、１０μｍであり、サンプリング定理に基づく面内分解能は２０μｍである。
【００７５】
図１２（ａ）は図６に示す本発明による干渉計を用いた測定結果であり、図１２（ｂ）は従来の干渉計を用いた測定結果である。両者を比較すれば明らかなように、図６に示す本発明による干渉計を用いた場合には、データの欠落が無く略半球体の表面形状を正確に測定可能であるが、従来の干渉計を用いた場合には、急な傾斜面ではデータの欠落が多くなって略半球体の表面形状を正確に測定することができない。
【００７６】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に説明するように変形することができる。
【００７７】
（１）上記した実施の形態においては、多数の光源を得る変換手段として複数のレンズを一体化したマイクロレンズアレイを用いたが、変換手段はこれに限られるものではないことは勿論であり、例えば、独立に構成された複数のレンズなどを用いたり、あるいはピンホールアレイを用いたり、さらにはファイバーバンドルなどを変換手段として用いるようにしてもよい。
【００７８】
（２）上記した実施の形態においては、検出手段として二次元アレイ検出器であるＣＣＤを用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、ＣＭＯＳ、ＩｎＧａＡｓ検出器、ＩｎＳｂ検出器、ＨｇＣｄＴｅ検出器（ＭＣＴ）、２次元フォトマルチプライヤなどを用いるようにしてもよい。
【００７９】
（３）上記した実施の形態においては、ＣＣＤの画素数とマイクロレンズアレイのレンズの数とを一致させるようにしてが、これに限られるものではないことは勿論であり、ＣＣＤの画素数とマイクロレンズアレイのレンズの数とが相違していてもよく、例えば、マイクロレンズアレイのレンズの数の方がＣＣＤの画素数よりも少なくてもよい。
【００８０】
（４）上記した実施の形態においては、詳細な説明は省略したが、ビームスプリッターとしては、偏光のものと無偏光のものとを適宜に選択して用いることができる。なお、図６に示した干渉計２００においては、偏光による測定角度および精度依存を考慮して、光ファイバーから導入される光をλ／４板２０２を用いて円偏光にモジュレートし、ビームスプリッター３６としては無偏光のものを用いた。
【００８１】
（５）上記した実施の形態においては、照明側光学系と結像側光学系とをテレセントリック光学系として構成したが、これに限られるものではないことは勿論であり、いずれか一方のみテレセントリック光学系としてもよく、また、両方ともテレセントリック光学系としなくてもよい。なお、照明側光学系あるいは結像側光学系をテレセントリック光学系としない場合には、視野端での検出照度が低下するなどの性能劣化が生じるが、構成レンズ枚数を減らすことができるなどのメリットがある。
【００８２】
さらに、被写体の基準面が回転軸対象面のように平面からずれている場合は、主光線と被検体の基準面の法線と平行にすることで、視野全体に対して均等に照度を保つことができる。
【００８３】
（６）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００８４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、被写界深度を深くとることができるとともに、被検体の表面が傾斜面である場合でも干渉縞をＣＣＤなどの検出手段で検出することができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】干渉計としてマイケルソン型干渉計を用いた公知の波長走査干渉計を備えた従来の形状測定装置の基本構成を示す概念構成説明図である。
【図２】焦点深度（被写界深度）と開口数との関係を示す説明図である。
【図３】（ａ）は被検体の表面が平行光線の光路に対して基準面ＲＦ（平行光線は、基準面ＲＦに対して垂直に入射する。）から所定の傾斜角度以上傾斜した傾斜面である場合における、当該傾斜面により反射された反射光の光路の説明図であり、（ｂ）は本発明による干渉計を説明するための説明図である。
【図４】本発明による干渉計を説明するための説明図である。
【図５】本発明の一実施例による干渉計を備えた本発明の一実施例による形状測定装置の基本構成を示す概念構成図である。
【図６】本発明による干渉計の具体的な装置構成の一例を示す全体装置構成説明図である。
【図７】本発明による干渉計の照明側光学系の概念構成を示す構成説明図である。
【図８】本発明による干渉計の結像側光学系の概念構成を示す構成説明図である。
【図９】本発明による干渉計の照明側光学系の詳細構成を示す構成説明図である。
【図１０】本発明による干渉計の結像側光学系の詳細構成を示す構成説明図である。
【図１１】本願発明者による実験に用いた従来の干渉計と本発明による干渉計との光学スペックの比較を示す図表である。
【図１２】本願発明者の実験による実験結果を示し、（ａ）は本発明による干渉計を用いた測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は従来の干渉計を用いた測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０コンピュータ
１２波長可変レーザー（ＴｕｎａｂｌｅＬａｓｅｒ）
１４光学系機器群
１４ａ、１４ｂ全反射ミラー
１６光ファイバー
１８、１００、２００干渉計
１８ａ、１００ａ本体部
２０信号生成器（ＳｉｇｎａｌＧｅｎｅｒａｔｏｒ）
３０ハーフミラー
３２コリメーターレンズ
３４結像レンズ
３６ビームスプリッター３６
３８被検体
４０移動ステージ
４２参照面ミラー
４４光量絞り
４４ａ開口部
４６偏光フィルター
４８マルチポートＣＣＤカメラ（ＤｉｇｉｔａｌＭＣＣＤ）
１０２コリメーターレンズ
１０４マイクロレンズアレイ（ＭｉｃｒｏＬｅｎｓＡｒｒａｙ）
１０４ａレンズ
１０６テレセントリック光学系
１０６ａ、１０６ｂレンズ
１０８結像レンズ
２０２ λ／４板
２０４ヘリカルステージ
２０６、２１２ＸＹＺステージ
２０８ゴニオステージ
２１０参照面ミラーホルダー
２１４ θステージ
２２０フィールドレンズ
２２２光量絞り
２２４結像レンズ
２２６フィールドレンズ
２２８光量絞り
２３０結像レンズ
３００ガラス
３０２ＮＤフィルター
ＲＦ基準面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an interferometer and a shape measuring apparatus. More specifically, the present invention relates to a non-contact and non-destructive surface of a subject that is a measurement target, a two-dimensional planar uneven state, that is, a subject having a three-dimensional shape. The present invention relates to an interferometer and a shape measuring apparatus suitable for use in accurately measuring a surface shape.
[0002]
BACKGROUND OF THE INVENTION AND PRIOR ART
Conventionally, the luminous flux emitted from the light source is divided into luminous fluxes passing through two optical paths, and the luminous flux passing through one of the two optical paths is irradiated and reflected on the reference surface, and of these two optical paths The light beam passing through the other optical path is irradiated and reflected on the surface of the subject, and the reflected light from the reference surface and the reflected light from the surface of the subject are superimposed, resulting from the optical path difference between these two reflected lights. There is known an interferometer that can generate and observe an interference fringe generated.
[0003]
Further, an interferometer as described above is provided, and interference fringes observed by the interferometer are analyzed, so that a non-contact and non-destructive two-dimensional flat surface on the surface of the subject, that is, a three-dimensional shape There is also known a shape measuring apparatus capable of accurately measuring the surface shape of a subject provided with the above.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-185529
[0005]
[Patent Document 2]
JP 2003-101111 A
Here, FIG. 1 shows a conceptual configuration explanatory diagram showing a basic configuration of a conventional shape measuring apparatus having a known wavelength scanning interferometer using a Michelson interferometer as an interferometer.
[0006]
Since the wavelength scanning interferometer can obtain the absolute value of the height for each point on the surface of the object, it is suitable for use when measuring the surface shape of an object of an arbitrary shape.
[0007]
The wavelength scanning interferometer shown in FIG. 1 controls the entire system and analyzes interference fringes detected and imaged by a multiport CCD camera (Digital MCCD) 48 equipped with a CCD as a detection means described later. Process for acquiring the uneven state of the two-dimensional plane on the surface of 38, that is, the surface shape of the three-dimensional object 38 (note that the surface shape of the three-dimensional object is acquired by analyzing interference fringes) For this purpose, a known technique can be applied, and a detailed description thereof will be omitted. The computer 10, which is a means for performing the processing, the interferometer 18, and the wavelength tunable laser 12 (described later) based on the control of the computer 10. And a signal generator (Signal Generator) 20 that outputs a control signal for controlling the multi-port CCD camera 48. And it is configured to have.
[0008]
Here, the interferometer 18 includes a light source section and a main body section 18a, and the light source section is a tunable laser (tunable laser (wavelength tunable laser, for example) capable of continuously changing the oscillation wavelength. A titanium sapphire laser that is excited by excitation light emitted from a YAG laser or the like and that performs wavelength control by electronic control using a wavelength-selective optical filter (AOTF: acoustic-optic tunable filter). And 12), an optical system group 14 composed of total reflection mirrors 14 a and 14 b for guiding the laser beam emitted from the wavelength tunable laser 12, and the optical system group 14. And an optical fiber 16 that guides the light flux. The light beam emitted from the optical fiber 16 of the light source unit enters the main body unit 18a.
[0009]
The main body portion 18a transmits a part (for example, 50%) of the light beam incident from the optical fiber 16 of the light source unit and reflects the remaining part (for example, 50%), and the half mirror 30 reflects the remaining part (for example, 50%). A collimator lens 32 for collimating the luminous flux, an imaging lens 34 for imaging the reflected light synthesized by the beam splitter 36 on the multi-port CCD camera 48 as described later, and an incident as described later. A beam splitter 36 that divides the luminous flux into two optical paths and combines and superimposes the reflected light incident from the two optical paths and a three-dimensional object 38 are placed and driven by a motor (not shown) or the like. A moving stage 40 that can move in an arbitrary direction such as a moving direction indicated by an arrow in FIG. A reference surface mirror 42 that constitutes a reflection surface for forming illumination light, a light amount diaphragm 44 that includes an opening 44 a and adjusts the amount of reflected light synthesized by the beam splitter 36, and a reflection that has passed through the light amount diaphragm 44 A polarization filter 46 that controls the polarization of light to generate interference fringes, and the reflected light that has passed through the polarization filter 46 is imaged on the CCD and detected, and is generated by superimposing the reflected light by the beam splitter 36. It is configured as a Michelson interferometer having a multi-port CCD camera 48 that detects and images interference fringes.
[0010]
In the above configuration, in the interferometer 18, the laser light emitted from the wavelength tunable laser 12 is incident on the half mirror 30 via the optical device group 14 and the optical fiber 16. That is, when a light beam is incident on the half mirror 30 from the light source, the half mirror 30 transmits a part of the incident light beam and reflects the remaining part.
[0011]
The light beam reflected by the half mirror 30 enters the collimator lens 32 and is collimated, and then enters the beam splitter 36.
[0012]
The beam splitter 36 transmits a part (for example, 50%) of the incident parallel light beam and reflects the remaining part (for example, 50%) to divide the incident parallel light beam into two optical paths. . Then, the parallel light flux in one optical path that has passed through the beam splitter 36 is reflected by the surface of the subject 38 to return to the beam splitter 36, and the parallel light flux in the other optical path reflected by the beam splitter 36 is referred to. The light reflected from the surface of the surface mirror 42 is converted into reflected light and returned to the beam splitter 36, and the reflected light of these two optical paths is synthesized by the beam splitter 36 and superimposed.
[0013]
As described above, the beam splitter 36 combines the reflected lights of the two optical paths and superimposes them to generate an interference fringe due to the optical path difference between the two reflected lights. It is detected and imaged by 20 CCDs. In other words, the light beams superimposed on the beam splitter 36 pass through the half mirror 30 and enter the multi-port CCD camera 20 through the light quantity stop 44 and the polarization filter 46, and constitute the multi-port CCD camera 20. And imaged by the multi-port CCD camera 20.
[0014]
The interference fringes picked up by the multi-port CCD camera 20 are analyzed by the computer 10 to obtain a two-dimensional planar uneven state on the surface of the subject 38, that is, the three-dimensional surface shape of the subject 38.
[0015]
By the way, in the above-described conventional interferometer, in general, in order to increase the depth of field viewed from the detector side to facilitate focusing, the aperture angle of the imaging-side optical system such as the imaging lens 34 is made. Must be reduced to reduce the numerical aperture (see FIG. 2).
[0016]
Therefore, for example, as shown in FIG. 3A, the surface of the subject 38 is compared with the reference plane RF (the parallel beam is the reference plane RF) with respect to the optical path of the parallel beam of one optical path transmitted through the beam splitter 36. In the case where the inclined surface is inclined (when the inclined surface is a broken line in FIG. 3A), the reflected light from the inclined surface opens the aperture of the imaging lens 34. It does not fall within the corner, that is, the region determined by the numerical aperture of the imaging lens 34 (the region indicated by the oblique lines in FIG. 3A), and the interference fringes are detected by the CCD of the multiport CCD camera 20 to form an image. There was a problem that it was impossible to do.
[0017]
That is, since the light beam applied to the surface of the subject 38 is a parallel light beam, when the surface of the subject 38 is an inclined surface, the reflected light reflected by the inclined surface is imaged by the multiport CCD camera 20. There is a problem that interference fringes cannot be detected.
[0018]
Although it is conceivable to detect interference fringes using reflected light when the surface of the subject 38 is irradiated with scattered light, it is pointed out that the amount of light is generally very low and difficult to detect. Yes.
[0019]
On the other hand, in order to increase the scattered light intensity, a method of applying a scattering agent to the surface of the subject is also known, but this method cannot take advantage of the non-contact measurement.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the background of the invention as described above, the problems of the prior art, and the demand for the prior art. The object of the present invention is to increase the depth of field. In addition, an interferometer and a shape measuring apparatus are provided which can detect interference fringes with a detecting means such as a CCD even when the surface of the subject is an inclined surface.
[0021]
That is, according to the present invention, interference fringes can be detected by a detecting means such as a CCD even when the surface of the subject is an inclined surface inclined with respect to a reference surface such as a surface having a curvature. An interferometer and a shape measuring device are to be provided.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, the interferometer according to the present invention is configured such that even when the surface of the subject is inclined with respect to the reference plane RF, the light beam applied to the inclined surface of the subject surface As shown in FIG. 3 (b), when incident on the inclined surface from various angles, even a part of the reflected light from the inclined surface comes within the aperture angle of the imaging optical system, This is based on the idea that the permissible range of the inclination angle of the inclined surface capable of detecting the interference fringes by a detecting means such as a CCD is widened.
[0023]
That is, the inventor of the present application determines the depth of field, which is the focal depth of the imaging side optical system on which the reflected light from the subject is incident, by the numerical aperture of the imaging side optical system, while detecting the CCD or the like. The present invention is based on the technical idea that the allowable range of the tilt angle on the surface of the subject whose interference fringes can be detected by the means is determined by the angle of incidence of the light beam applied to the tilted surface with respect to the tilted surface. It has been done.
[0024]
In other words, the present invention secures a deep depth of field while keeping the numerical aperture of the imaging-side optical system small, while the various light fluxes irradiated on the surface of the subject vary with respect to the subject. The allowable range of the inclination angle of the surface of the subject is widened so that the incident can be made from any incident angle.
[0025]
Here, in order to allow the light beam applied to the surface of the subject to be incident on the subject from various incident angles, the light beam applied to the surface of the subject is collected without using a parallel light beam. What is necessary is just to irradiate the surface of the subject with the luminous flux. That is, when the focused light beam is irradiated on the surface of the subject, a part of the reflected light is not necessary even if all of the reflected light of the irradiated light beam does not enter a region that can be detected by a detection means such as a CCD. However, the possibility of entering an area that can be detected by a detection means such as a CCD is extremely high.
[0026]
By the way, when the light beam is condensed on the surface of the subject, the area around the light condensing point, which is the region where the light beam is condensed on the surface of the subject, becomes dark except for the region where the light beam is condensed (condensing point). Therefore, in order to prevent this, as shown in FIG. 4, it is sufficient to form a large number of regions where the luminous flux is condensed on the surface of the subject. That is, in the present invention, reflected light that reaches a detection means such as a CCD is obtained via an imaging optical system such as an imaging lens, for example, by condensing the light beam irradiated on the surface of the subject. In addition, many condensing points are formed on the surface of the subject in order to prevent the field of view from being darkened by condensing the light beam applied to the surface of the subject.
[0027]
Here, in the present invention, a light source that emits a plurality of light beams is used in order to generate a condensed light beam that can form a large number of condensing points on the surface of the subject. A microlens array serving as conversion means for converting an incident light beam into a plurality of light beams and emitting the light beam is arranged.
[0028]
Here, the microlens array is an arrangement of an arbitrary number of minute lenses formed with precision of λ / 100 grade (λ: wavelength of incident light) by precision etching, for example. Integrated.
[0029]
In manufacturing the microlens array, it is known that the shape of each lens and the degree of freedom of the overall shape and arrangement when the individual lenses are aligned and integrated are high.
[0030]
For example, the lens diameter of each lens constituting the microlens array can be set to, for example, 5 μm to 1000 μm, and the lens height can be set to, for example, 0.1 μm to 50 μm. Can be set to ± 0.3 μm, for example, and the lens shape can be configured in various shapes such as a spherical surface, an aspherical surface, and a non-axial object.
[0031]
In addition, as a material for forming the microlens array, optical glass, quartz glass, or the like can be appropriately selected.
[0032]
Such a microlens array can be formed as a micro optical element having a one-to-one correspondence with other optical devices. Therefore, in the interferometer according to the present invention, each pixel (pixel) of the CCD and each lens constituting the microlens array can be associated with each other in a one-to-one relationship.
[0033]
In order to achieve the above object, the shape measuring apparatus according to the present invention uses the above-described interferometer according to the present invention when generating interference fringes.
[0034]
Here, in the invention according to claim 1 of the present invention, the light beam emitted from the light source is divided into light beams passing through two optical paths by a beam splitter, and the light beam passing through one of the two optical paths is divided. The reference surface is irradiated and reflected, and the light beam passing through the other optical path of the two optical paths is irradiated and reflected on the surface of the subject to reflect the reflected light from the reference surface and the surface of the subject. A light source that emits a plurality of light beams in an interferometer that superimposes the reflected light on the beam splitter, generates an interference fringe resulting from the optical path difference between the two reflected lights, and detects the interference fringe, and the light source The plurality of light beams emitted from the light beam are split into a plurality of light beams that pass through two optical paths by a beam splitter, and the reference surface is irradiated with the plurality of light beams that pass through one of the two optical paths and reflected. Both the first optical system that collects and reflects a plurality of light fluxes passing through the other of the two optical paths on the surface of the subject, the reflected light from the reference surface, and the surface of the subject And a second optical system for generating interference fringes caused by the optical path difference between the two reflected lights and detecting them by a detecting means. The surface of the subject and the reference surface are conjugated.
[0035]
The invention according to claim 2 of the present invention is the invention according to claim 1 of the present invention, wherein the light source has conversion means for converting an incident light beam into a plurality of light beams and emitting them. It is what I did.
[0036]
Further, the invention according to claim 3 of the present invention is the invention according to claim 1 or claim 2 of the present invention, wherein the detection means is a two-dimensional array detector, The number of light beams collected on the surface of the subject is substantially the same as the number of pixels of the two-dimensional array detector.
[0037]
According to a fourth aspect of the present invention, the invention according to any one of the first, second, or third aspect of the present invention is the first optical system and the first optical system. The second optical system is a telecentric optical system at least on the subject side.
[0038]
In the invention according to claim 5 of the present invention, the light beam emitted from the light source is divided into light beams passing through two optical paths by a beam splitter, and the light beam passing through one of the two optical paths is referred to. The surface is irradiated and reflected, and the light beam passing through the other of the two optical paths is irradiated and reflected on the surface of the subject, and the reflected light from the reference surface and the reflection from the surface of the subject are reflected. Light is superimposed by the beam splitter, an interference fringe caused by the optical path difference between the two reflected lights is generated and detected by the detection means, and the interference detected by the detection means of the interferometer In the shape measuring apparatus having processing means for analyzing the fringes and acquiring the surface shape of the subject, the interferometer is defined in claim 1, claim 2, claim 3, or claim 4 of the present invention. Noiz Or in which was configured from the interferometer according to the invention described in (1).
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of an interferometer and a shape measuring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that in the description of the present specification and the accompanying drawings, the same or corresponding configurations and contents are denoted by the same reference numerals, and redundant description of the configuration and operation is omitted.
[0040]
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a basic configuration of a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention provided with an interferometer according to an embodiment of the present invention.
[0041]
Here, when the shape measuring apparatus according to the present invention shown in FIG. 5 is compared with the conventional shape measuring apparatus shown in FIG. 1, they are different in the light source of the interferometer and the optical system of the main body constituting the shape measuring apparatus. .
[0042]
That is, the interferometer 100 according to the present invention in the shape measuring apparatus according to the present invention shown in FIG. 5 receives the wavelength tunable laser 12, the optical system group 14, the optical fiber 16, and the light beam guided by the optical fiber 16. The light source unit is configured to include a collimator lens 102 that converts a collimated light beam and a microlens array 104 that receives a collimated light beam emitted from the collimator lens 102. The microlens array 104 converts a light beam incident through the collimator lens 102 into a plurality of light beams, that is, a number of light beams corresponding to the number of individual lenses constituting the microlens array 104 and emits the light.
[0043]
The main body 100a includes a telecentric optical system 106 including

lenses

106a, 106b, and the like on which a plurality of light beams collected and emitted by the individual lenses 104a constituting the microlens array 104 are incident. A beam splitter 36 that divides a plurality of light beams emitted from the optical system 106 into two optical paths and synthesizes and superimposes the reflected light from the subject 38 and the reference plane mirror 42 incident from the two optical paths; A moving stage 40 on which a shaped object 38 is placed and driven by a motor (not shown) or the like and movable in an arbitrary direction such as a moving direction indicated by an arrow in FIG. A reference surface mirror 42 constituting a reflecting surface for forming a beam splitter, and a beam splitter 6 through the imaging lens 108 and the imaging lens 108 for detecting the reflected light from the object 38 and the reference surface mirror 42 synthesized in 6 by the CCD of the multi-port CCD camera 48 as a detecting means. It is configured as a Michelson interferometer having a multi-port CCD camera 48 that forms an image of the reflected light and images an interference fringe generated by superimposing the reflected light by the beam splitter 36.
[0044]
In the interferometer 100, the first optical system in the optical path where a plurality of light beams emitted from the light source unit reach the subject 38 and the reference plane mirror 42 is referred to as an illumination side optical system, and the subject 38 and the reference plane mirror 42 are used. The second optical system in the optical path from which the reflected light from the light reaches the multi-port CCD camera 48 is referred to as an imaging side optical system.
[0045]
The illumination-side optical system is configured such that a plurality of light fluxes emitted from the light source unit are condensed on the surface of the subject 38, and a plurality of condensing points are formed on the surface of the subject 38. Yes.
[0046]
In the above configuration, the laser light emitted from the wavelength tunable laser 12 is incident on the collimator lens 102 via the optical system device group 14 and the optical fiber 16, and is converted into a parallel light beam. The parallel light beam is converted into the microlens array 104. Is incident on.
[0047]
The parallel light beams incident on the microlens array 104 are collected by the lenses 104a constituting the microlens array 104, and telecentric optics as a plurality of light beams having a plurality of condensing points according to the number of the lenses 104a. The light enters the system 106 and enters the beam splitter 36 via the telecentric optical system 106.
[0048]
The beam splitter 36 transmits a part (for example, 50%) of each of the plurality of incident light beams and reflects the remaining part (for example, 50%) of each of the plurality of incident light beams. Is divided into two optical paths.
[0049]
The plurality of light fluxes in one optical path that have passed through the beam splitter 36 are condensed on the surface of the subject 38 by the illumination side optical system, reflected by the surface of the subject 38, and converted into reflected light to the beam splitter 36. Return. On the other hand, the plurality of light beams in the other optical path reflected by the beam splitter 36 are reflected by the surface of the reference surface mirror 42 and return to the beam splitter 36 as reflected light. In this way, the reflected light of these two optical paths returned to the beam splitter 36 is combined by the beam splitter 36.
[0050]
At this time, an image of the emission end of the optical fiber 16 (a plurality of light source images created by the microlens array 104) is formed on the subject 38 and the reference plane mirror 42. That is, the exit end of the optical fiber 16 and the imaging point of the microlens array 104, the subject 38, and the reference plane mirror 42 are in a conjugate relationship with each other.
[0051]
As described above, the beam splitter 36 combines the reflected lights of the two optical paths and superimposes them to generate an interference fringe due to the optical path difference between the two reflected lights. It is detected and imaged by 48 CCDs.
[0052]
The interference fringes picked up by the multi-port CCD camera 48 are analyzed by the computer 10 to obtain a two-dimensional planar uneven state on the surface of the subject 38, that is, the three-dimensional surface shape of the subject 38.
[0053]
Therefore, according to the shape measuring apparatus according to the present invention shown in FIG. 5, a plurality of condensed light fluxes, that is, the microlens array 104 is configured so as to form a plurality of condensing points on the surface of the subject 38. The number of light beams corresponding to the number of the lenses 104a to be collected and condensed by the illumination side optical system is irradiated on the surface of the subject 38. For this reason, the allowable range of the inclination angle of the inclined surface in the object 38 in which the interference fringes can be detected by the multiport CCD camera 48 is widened, and the CCD detection area of the multiport CCD camera 48 is not narrowed.
[0054]
In other words, in the shape measuring apparatus according to the present invention shown in FIG. 5, in other words, a high-precision microlens array 104 is used to form a point light source array as a large number of light sources. The light source array is a measurement point on the surface of the subject 38, and the number of measurement points and the number of pixels of the multiport CCD camera 48 are set to correspond to each other.
[0055]
Incidentally, since the interferometer 100 of the shape measuring apparatus according to the present invention shown in FIG. 5 is a wavelength scanning interferometer, it is preferable to correct the chromatic aberration of the microlens array 104. As a method for correcting such chromatic aberration, for example, a telecentric optical system 106 on which a plurality of light beams emitted from the microlens array 104 are incident so as to have chromatic aberration opposite to that of the microlens array 104 is configured. The chromatic aberration of the microlens array 104 can be canceled or the microlens array 104 can be moved in the optical axis direction, and the microlens array 104 can be moved in the optical axis direction in conjunction with the wavelength scanning. By moving, the chromatic aberration of the microlens array 104 may be canceled out.
[0056]
Next, an interferometer 200 showing an example of a specific apparatus configuration of the interferometer 100 according to the present invention shown in FIG. 5 will be described with reference to FIGS. 6 shows the overall configuration of the interferometer 200, FIG. 7 shows the conceptual configuration of the illumination side optical system of the interferometer 200, FIG. 8 shows the conceptual configuration of the imaging side optical system of the interferometer 200, FIG. 9 shows a detailed configuration of the illumination side optical system of the interferometer 200, and FIG. 10 shows a detailed configuration of the imaging side optical system of the interferometer 200.
[0057]
The interferometer 200 shown in FIG. 6 is configured such that the light beam incident on the collimator lens 102 from the optical fiber 16 is incident on the microlens array 104 via the λ / 4 plate 202.
[0058]
The moving stage 40 that supports the subject 38 includes a helical stage 204, an XYZ stage 206, and a gonio stage 208, and the reference plane mirror 42 is supported by a reference plane mirror holder 210.
[0059]
On the other hand, the multi-port CCD camera 48 is supported movably by an XYZ stage 212 and a θ stage 214.
[0060]
Next, a conceptual configuration of the illumination-side optical system of the interferometer 200 will be described with reference to FIG. 7. The illumination-side optical system of the interferometer 200 includes a field lens 220, a light quantity stop 222, an imaging lens 224, and the like. It is comprised. The field lens 220 and the imaging lens 224 constitute the telecentric optical system 106.
[0061]
Note that the illumination-side numerical aperture (illumination-side NA) can be varied by appropriately controlling the diameter of the light quantity stop 222.
[0062]
Here, the illumination side NA means the numerical aperture of the condensed light bundle irradiated on the surface of the subject 38 by the illumination side optical system.
[0063]
When the inclination angle with respect to the reference plane RF measurable with the interferometer according to the present invention is σ (see FIG. 3B) and the numerical aperture of the image forming side optical system is the image forming side NA, the measurement is performed with the interferometer according to the present invention. The possible inclination angle σ relative to the reference plane is
σ = (sin ^-1 (Lighting side NA) + sin ^-1 (Imaging side NA)) / 2
Where NA = n × sin θ (n = 1 in air)
Given in.
[0064]
Next, a conceptual configuration of the imaging side optical system of the interferometer 200 will be described with reference to FIG. 8. The imaging side optical system of the interferometer 200 is separated from the surface of the subject 38 and the surface of the reference plane mirror 42. The lens includes a field lens 226 that receives the reflected light, a light amount diaphragm 228, and an imaging lens 230. The field lens 226 and the imaging lens 230 constitute a telecentric optical system on the object 38 side.
[0065]
Note that it is possible to vary the image forming side NA by appropriately controlling the light amount diaphragm 228.
[0066]
By adjusting the image forming side NA, the brightness and depth of field of interference fringes detected by the multi-port CCD camera can be changed.
[0067]
FIG. 9 is a detailed diagram illustrating the configuration of the illumination-side optical system of the interferometer 200. The field lens 220 and the imaging lens 224 constituting the telecentric optical system 106 are chromatic aberration and monochromatic aberration of the system. In order to correct this, a plurality of lenses are appropriately combined.
[0068]
Reference numeral 300 denotes a compensation glass disposed between the beam splitter 36 and the surface of the subject 38. As shown in FIG. 10, the amount of light between the beam splitter 36 and the reference plane mirror 42 is shown. When the ND filter 302 for adjustment is disposed, such a glass 300 is disposed between the beam splitter 36 and the surface of the subject 38, so that the optical path lengths are matched.
[0069]
FIG. 10 shows a detailed configuration explanatory diagram of the imaging-side optical system of the interferometer 200. An ND filter 302 is disposed between the beam splitter 36 and the reference plane mirror 42, and telecentric. The field lens 226 and the imaging lens 230 constituting the optical system are each configured by appropriately combining a plurality of lenses.
[0070]
Next, FIG. 11 shows a comparison of optical specifications between the conventional interferometer used in the experiment by the present inventor and the interferometer according to the present invention shown in FIG. And the measurement result which measured the surface shape of the spherical surface formed with aluminum using the interferometer provided with the optical specification shown in FIG. 11 is shown in FIGS.
[0071]
The wavelength scanning range of the wavelength tunable laser 12 was 730 nm to 930 nm.
[0072]
As the microlens array 104, a lens having 500 × vertical × 500 × 250,000 lenses each having a square base of 14 μm was used. In addition, the number of CCD pixels of the multi-port CCD camera 48 matches the number of lenses of the microlens array 104.
[0073]
The inclination angle σ with respect to the reference plane that can be measured by the interferometer according to the present invention is 0.151 on the illumination side NA and 0.067 on the imaging side NA based on the optical spec comparison shown in FIG.

Thus, the inclination angle with respect to the reference plane measurable with the interferometer according to the present invention is 6.26 degrees.
[0074]
The sampling pitch of the interferometer according to the present invention (= 1 pixel of CCD ÷ magnification) is 10 μm, and the in-plane resolution based on the sampling theorem is 20 μm.
[0075]
FIG. 12A shows the measurement results using the interferometer according to the present invention shown in FIG. 6, and FIG. 12B shows the measurement results using the conventional interferometer. As is clear from the comparison between the two, when the interferometer according to the present invention shown in FIG. 6 is used, it is possible to accurately measure the surface shape of the substantially hemisphere without data loss. In the case of using, the surface shape of a substantially hemisphere cannot be accurately measured because of a large amount of missing data on a steeply inclined surface.
[0076]
The embodiment described above can be modified as described in the following (1) to (6).
[0077]
(1) In the above-described embodiment, a microlens array in which a plurality of lenses are integrated is used as a conversion unit for obtaining a large number of light sources. However, the conversion unit is not limited to this, For example, a plurality of lenses configured independently may be used, a pinhole array may be used, or a fiber bundle may be used as the conversion means.
[0078]
(2) In the above-described embodiment, a CCD which is a two-dimensional array detector is used as the detecting means. However, the present invention is not limited to this, for example, CMOS, InGaAs detector, InSb detection An HgCdTe detector (MCT), a two-dimensional photomultiplier, or the like may be used.
[0079]
(3) In the above-described embodiment, the number of pixels of the CCD and the number of lenses of the microlens array are made to coincide with each other. However, the present invention is not limited to this. The number of lenses of the microlens array may be different. For example, the number of lenses of the microlens array may be smaller than the number of pixels of the CCD.
[0080]
(4) Although the detailed description has been omitted in the above-described embodiment, a polarized and non-polarized beam splitter can be appropriately selected and used. In the interferometer 200 shown in FIG. 6, the light introduced from the optical fiber is modulated into circularly polarized light using the λ / 4 plate 202 in consideration of the measurement angle and accuracy dependence due to polarization, and the beam splitter 36. The non-polarized one was used.
[0081]
(5) In the above-described embodiment, the illumination side optical system and the imaging side optical system are configured as a telecentric optical system. However, the present invention is not limited to this, and only one of them is a telecentric optical system. The system may be a system, or both may not be telecentric optical systems. If the illumination-side optical system or the imaging-side optical system is not a telecentric optical system, performance degradation such as a decrease in the detected illuminance at the field edge will occur, but the advantage of reducing the number of constituent lenses There is.
[0082]
In addition, when the reference plane of the subject is deviated from the plane like the rotation axis target plane, the illuminance is maintained uniformly over the entire field of view by making it parallel to the principal ray and the normal of the reference plane of the subject. be able to.
[0083]
(6) You may make it combine the above-mentioned embodiment and the modification shown in said (1) thru | or (5) suitably.
[0084]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, it is possible to increase the depth of field, and to detect interference fringes with a detecting means such as a CCD even when the surface of the subject is an inclined surface. There is an excellent effect of being able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual configuration explanatory diagram showing a basic configuration of a conventional shape measuring apparatus including a known wavelength scanning interferometer using a Michelson interferometer as an interferometer.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a relationship between a depth of focus (depth of field) and a numerical aperture.
FIG. 3A is an inclined surface in which the surface of the subject is inclined at a predetermined inclination angle or more from a reference plane RF (parallel rays are incident perpendicular to the reference plane RF) with respect to an optical path of parallel rays. It is explanatory drawing of the optical path of the reflected light reflected by the said inclined surface in the case of (b), (b) is explanatory drawing for demonstrating the interferometer by this invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining an interferometer according to the present invention.
FIG. 5 is a conceptual configuration diagram showing a basic configuration of a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention provided with an interferometer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an overall device configuration explanatory diagram showing an example of a specific device configuration of an interferometer according to the present invention.
FIG. 7 is a configuration explanatory view showing a conceptual configuration of an illumination side optical system of an interferometer according to the present invention.
FIG. 8 is a configuration explanatory view showing a conceptual configuration of an image forming side optical system of an interferometer according to the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of an illumination side optical system of the interferometer according to the present invention.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of an image forming side optical system of the interferometer according to the present invention.
FIG. 11 is a chart showing a comparison of optical specifications between a conventional interferometer used in an experiment by the present inventor and an interferometer according to the present invention.
FIGS. 12A and 12B are graphs showing the results of experiments using the interferometer according to the present invention, and FIG. 12B are the results of measurements using a conventional interferometer. It is a graph.
[Explanation of symbols]
10 Computer
12 Tunable Laser
14 Optical equipment group
14a, 14b Total reflection mirror
16 Optical fiber
18, 100, 200 Interferometer
18a, 100a body
20 Signal Generator (Signal Generator)
30 half mirror
32 Collimator lens
34 Imaging lens
36 Beam splitter 36
38 subjects
40 Moving stage
42 Mirror for reference plane
44 Light stop
44a opening
46 Polarizing filter
48 Multi-port CCD camera (Digital MCCD)
102 Collimator lens
104 Microlens Array (Micro Lens Array)
104a lens
106 Telecentric optical system
106a, 106b Lens
108 Imaging lens
202 λ / 4 plate
204 Helical stage
206, 212 XYZ stage
208 Gonio Stage
210 Reference plane mirror holder
214 θ stage
220 field lens
222 Light stop
224 Imaging lens
226 Field lens
228 Light stop
230 Imaging lens
300 glass
302 ND filter
RF reference plane

Claims

光源から出射された光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る光束に分割し、前記２つの光路のうちの一方の光路を通る光束を参照面に照射して反射させるとともに、前記２つの光路のうちの他方の光路を通る光束を被検体の表面に照射して反射させ、前記参照面からの反射光と前記被検体の表面からの反射光とを前記ビームスプリッターにより重ね合わせ、前記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出する干渉計において、
複数の光束を出射する光源と、
前記光源から出射された複数の光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る複数の光束に分割し、前記２つの光路のうちの一方の光路を通る複数の光束を参照面に照射して反射させるとともに、前記２つの光路のうちの他方の光路を通る複数の光束を被検体の表面に集光して反射させる第１の光学系と、
前記参照面からの反射光と前記被検体の表面からの反射光とを前記ビームスプリッターにより重ね合わせ、前記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出させる第２の光学系と
を有し、
前記光源と前記被検体の表面および前記参照面が共役である
ことを特徴とする干渉計。The light beam emitted from the light source is split into a light beam that passes through two optical paths by a beam splitter, and the light beam that passes through one of the two optical paths is irradiated on the reference surface to be reflected, and of the two optical paths. The light beam passing through the other optical path is irradiated and reflected on the surface of the subject, the reflected light from the reference surface and the reflected light from the surface of the subject are overlapped by the beam splitter, and the two reflected lights In the interferometer that generates interference fringes caused by the optical path difference and detects by the detection means,
A light source that emits a plurality of luminous fluxes;
A plurality of light beams emitted from the light source are divided into a plurality of light beams that pass through two optical paths by a beam splitter, and a plurality of light beams that pass through one of the two optical paths are irradiated on the reference surface and reflected. A first optical system that collects and reflects a plurality of light beams passing through the other of the two optical paths on the surface of the subject;
The reflected light from the reference surface and the reflected light from the surface of the subject are overlapped by the beam splitter, and interference fringes caused by the optical path difference between the two reflected lights are generated and detected by the detecting means. A second optical system,
An interferometer, wherein the light source, the surface of the subject, and the reference surface are conjugate.

請求項１に記載の干渉計において、
前記光源は、入射された光束を複数の光束に変換して出射する変換手段を有する
ことを特徴とする干渉計。The interferometer according to claim 1, wherein
The interferometer characterized in that the light source has conversion means for converting an incident light beam into a plurality of light beams and emitting them.

請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の干渉計において、
前記検出手段は、二次元アレイ検出器であり、
前記被検体の表面に集光される光束数と前記二次元アレイ検出器の画素数とが略一致している
ことを特徴とする干渉計。The interferometer according to any one of claims 1 or 2,
The detection means is a two-dimensional array detector;
The interferometer characterized in that the number of light beams collected on the surface of the subject and the number of pixels of the two-dimensional array detector substantially coincide.

請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の干渉計において、
前記第１の光学系と前記第２の光学系とは、少なくとも前記被検体側においてテレセントリック光学系である
ことを特徴とする干渉計。In the interferometer according to any one of claims 1, 2, or 3,
The interferometer, wherein the first optical system and the second optical system are telecentric optical systems at least on the subject side.

光源から出射された光束をビームスプリッターにより２つの光路を通る光束に分割し、前記２つの光路のうちの一方の光路を通る光束を参照面に照射して反射させるとともに、前記２つの光路のうちの他方の光路を通る光束を被検体の表面に照射して反射させ、前記参照面からの反射光と前記被検体の表面からの反射光とを前記ビームスプリッターにより重ね合わせ、前記２つの反射光の光路差に起因して生ずる干渉縞を生成して検出手段により検出する干渉計と、
前記干渉計の前記検出手段によって検出された干渉縞を解析して、前記被検体の表面形状を取得する処理手段と
を有する形状測定装置において、
前記干渉計は、請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４のいずれか１項に記載の干渉計である
ことを特徴とする形状測定装置。The light beam emitted from the light source is split into a light beam passing through two optical paths by a beam splitter, and the light beam passing through one of the two optical paths is irradiated on the reference surface to be reflected, and of the two optical paths. The light beam passing through the other optical path is irradiated and reflected on the surface of the subject, the reflected light from the reference surface and the reflected light from the surface of the subject are overlapped by the beam splitter, and the two reflected lights An interferometer that generates interference fringes caused by the optical path difference and detects by the detection means;
In the shape measuring apparatus having processing means for analyzing the interference fringes detected by the detecting means of the interferometer and acquiring the surface shape of the subject,
The interferometer is the interferometer according to claim 1, claim 2, claim 3, or claim 4.