JP4913608B2 - 形状観察装置及び形状観察方法 - Google Patents

Description

本発明は形状観察技術に関し、特に形状観察装置及び形状観察方法に関する。

例えばプリント基板の製造現場においては、プリント基板の表面がカメラ等のイメージセンサにより撮影され、製造不良の有無が検査されている。プリント基板は一般的に、絶縁基板と絶縁基板上に印刷された半田を有する。絶縁基板の表面は鏡面であるが、印刷半田の表面は粗面である。そのため、プリント基板に照明光を照射すると、正反射角方向における絶縁基板上の反射光強度は、印刷半田上の反射光強度よりも大きくなる。したがって絶縁基板上の反射光強度と印刷半田上の反射光強度との差がイメージセンサのダイナミックレンジを超えると、絶縁基板の部分の画像の輝度が飽和する、あるいは印刷半田の部分の画像がノイズに埋もれるという問題があった。そのため、暗い照明光で撮影された絶縁基板の画像と、明るい照明光で撮影された印刷半田の画像とを合成する方法が提案されている（例えば、特許文献1参照。）。しかし、撮影を2回行い、2つの画像を合成するには時間がかかるという問題があった。
特開2005-214653号公報

本発明は、平滑面及び粗面を同時に観察可能な形状観察装置及び形状観察方法を提供することを目的とする。

本発明の第1の態様によれば、（イ）光を発する光源と、（ロ）光が照射されるパターンを有するパターン素子と、（ハ）パターンを透過した光を集光するフーリエレンズと、（ニ）光源又は光源と共役な位置に配置され、光を通す照射光透光部を含む照射光フィルタと、（ホ）フーリエレンズを透過した光をコリメートする投影レンズと、（ヘ）コリメートされた光で照射された被観察物表面の反射光を集光する集光レンズと、（ト）照射光透光部と共役で反射光を減光する反射光減光部を含む反射光フィルタとを備える形状観察装置が提供される。

被観察物の平滑面上の正反射光の光強度と被観察物の粗面上の正反射光の光強度の差と比較して、平滑面上の乱反射光の光強度と粗面上の乱反射光の光強度の差は小さい。ここで反射光減光部は照射光透光部と共役であるため、被観察物からの正反射光を減光する。したがって反射光フィルタを透過した乱反射光を用いれば、ダイナミックレンジの狭いイメージセンサでも平滑面及び粗面を同時に観察することが可能となる。

本発明の第2の態様によれば、（イ）輝度が高い部分と低い部分の分布がある光を発する変形照明光源と、（ロ）光が照射されるパターンを有するパターン素子と、（ハ）パターンを透過した光を集光するフーリエレンズと、（ニ）集光された光をコリメートする投影レンズと、（ホ）コリメートされた光で照射された被観察物表面の反射光を集光する集光レンズと、（ヘ）輝度分布における輝度が高い部分と共役で反射光を減光する反射光減光部を含む反射光フィルタとを備える形状観察装置が提供される。

本発明の第3の態様によれば、（イ）光源から光を発することと、（ロ）パターンを光で照射することと、（ハ）光で照射されたパターンの像をフーリエ変換した第1のフーリエ変換像を形成することと、（ニ）第1のフーリエ変換像を逆フーリエ変換した投影像を、被観察物に斜めに投影することと、（ホ）被観察物上で反射された投影像をフーリエ変換して第2のフーリエ変換像を形成することと、（ヘ）被観察物上で正反射した光を減光することと、（ト）第2のフーリエ変換像を逆フーリエ変換することとを備える形状観察方法が提供される。

本発明によれば、平滑面及び粗面を同時に観察可能な形状観察装置及び形状観察方法を提供可能である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（第1の実施の形態）
本発明の第1の実施の形態に係る形状観察装置は、図1に示すように、照明光学系100を備える。照明光学系100は、光を発する光源11、光が照射されるパターンを有するパターン素子21、パターンを透過した光を集光するフーリエレンズ13、及び光の一部を通し、フーリエレンズ13の光軸上に焦点を結ぶ光を減光する照射光フィルタ31Aを備える。形状観察装置は、照射光フィルタ31Aを透過した光をコリメートする投影レンズ14、及び投影レンズ14の光軸に対して斜めに配置され、コリメートされた光が照射される被観察物51を保持するステージ41をさらに備える。また形状観察装置は、ステージ41の上の被観察物51表面で反射した光である反射光を集光する集光レンズ15、パターン素子21のパターンに斜入射し、ステージ41の上の被観察物51表面で正反射した光である正反射光を減光し、被観察物51表面で乱反射した光である乱反射光を通す反射光フィルタ32、及び集光された乱反射光をコリメートする再現レンズ16をさらに備える。

照明レンズ12の前焦点面に配置された光源11には、蛍光放電管、低圧水銀灯、キセノンランプ、及び発光ダイオード(LED)等が使用可能である。光源11の下方には、絞り33が配置されている。絞り33は例えば図2に示すように開口を有し、光の断面を円形に成形する。図1に示す照明レンズ12は、光源11の任意の1点から照射された光を平行光にする。照明レンズ12の光軸と交わる光源11の点から発せられ、照明レンズ12で屈折した光の光線は光軸に平行となる。したがって、照明レンズ12を透過した光の主光線は、光軸と平行である。照明レンズの下方に配置されたパターン素子21の光軸に対する角度は、光軸に対するステージ41の角度及びシャインプルーフ条件によって決定される。例えば、パターン素子21は光軸に対して略垂直に配置される。なお「光軸に対して略垂直」とは、例えば光軸に対して90°から110°である。図3に示すように、パターン素子21は、光を通す複数の透光部121a, 121b, 121c…及び光を遮る複数の遮光部122a, 122b, 122c…が周期的に設けられた2次元格子パターンを有する。パターン素子21は、図1に示す照明レンズ12を透過して平面波となった光によってテレセントリックに明視野照明される。パターン素子21には、駆動機構221が接続されている。駆動機構221は、パターン素子21を照明レンズ12の光軸に対して略垂直方向に移動させる。

フーリエレンズ13は、明視野照明されたパターン素子21のパターンの像をフーリエ変換する。フーリエレンズ13の後焦点面に配置された照射光フィルタ31Aは、図4に示すように、光の断面において光の一部を減光する照射光減光部131A、照射光減光部131Aを取り囲み、光を通す照射光透光部132、及び照射光透光部132を取り囲む外周遮光部133を備える。照射光減光部131Aはフーリエレンズ13の光軸上に配置される。照射光減光部131Aは、照明レンズ12の光軸と平行に進行しパターン素子21に入射した光の成分である光軸平行入射光成分を減光する。照射光減光部131Aの光の透過率は、例えば0%である。照射光透光部132は、照明レンズ12の光軸に対して斜めに進行し、パターン素子21に入射した光を通す。照射光フィルタ31Aの位置は、図1に示す光源11の位置と共役である。フーリエレンズ13によってフーリエ変換されたパターンの像を形成する光のうち光軸平行入射光成分は、照射光フィルタ31Aによって遮光される。そのため、暗視野照明されたパターンの像をフーリエ変換した像と等価な第1のフーリエ変換像が、照明光学系100で形成される。

投影レンズ14は、第1のフーリエ変換像を逆フーリエ変換して投影像を形成する。投影レンズ14の光軸は、図5に示すように、ステージ41の表面の垂直方向に対して第1の角度θ₁をなす。ステージ41の表面に配置される被観察物51の表面には、ピッチP _dを有する周期的な明暗のパターンを有する投影像が投影される。例えば被観察物51は、図6に示すように、平滑な表面である鏡面部151aと、粗い表面である粗面部151bを有する。鏡面部151aに入射した光は主に正反射し、一部が乱反射する。粗面部151bに入射した光は、主に乱反射する。図1に示す被観察物51の表面で乱反射した光である乱反射光は、投影像の乱反射像を形成する。

集光レンズ15の光軸は、図5に示すように、ステージ41の表面の垂直方向に対して第1の角度θ₁と等しい第2の角度θ₂をなす。したがって、以下、θ₁及びθ₂をθと記載する。投影レンズ14の光軸と集光レンズ15の光軸は同一平面上に存在し、ステージ41上で交差する。投影レンズ14の光軸と集光レンズ15の光軸は面対称である。集光レンズ15は、被観察物51表面で反射された投影像をフーリエ変換する。集光レンズ15の後焦点面に配置された反射光フィルタ32は、図7に示すように、集光レンズ15の光軸を囲み、集光レンズ15の光軸上に焦点を結ぶ反射光を通す反射光透光部134、及び反射光透光部134を取り囲み、反射光を減光する反射光減光部135を含む。反射光減光部135の光の透過率は、例えば0%である。

反射光フィルタ32に含まれる反射光減光部135は、照射光フィルタ31Aの照射光透光部132と共役な部分を含む。反射光減光部135は照射光透光部132と共役な部分を含むため、パターン素子21のパターンに斜入射し、被観察物51で正反射した光である正反射光は、反射光フィルタ32の反射光減光部135で遮光される。これに対し、被観察物51で乱反射した乱反射光の一部は、反射光フィルタ32の反射光透光部134を通過する。そのため、図1に示す集光レンズ15及び反射光フィルタ32によって、乱反射像をフーリエ変換した像である第2のフーリエ変換像が形成される。なお、投影レンズ14の倍率と集光レンズ15の倍率が等しい場合、図4に示す照射光減光部131Aの直径は、図7に示す反射光透光部134の直径と等しいか、あるいは反射光透光部134の直径より大きい。

図1に示す再現レンズ16は、第2のフーリエ変換像を逆フーリエ変換する。実施の形態に係る形状観察装置は、さらにイメージセンサ17を備える。イメージセンサ17には、第2のフーリエ変換像を逆フーリエ変換した像である取り込み像が投影される。イメージセンサ17は、投影された取り込み像を光電変換する。イメージセンサ17には電荷結合素子(CCD)カメラ等が使用可能である。

以上示した第1の実施の形態に係る形状観察装置によれば、パターン素子21のパターンに斜入射し、被観察物51表面で正反射した正反射光は、反射光フィルタ32で遮光され、被観察物51表面で乱反射した乱反射光の一部は反射光フィルタ32を通過する。そのため、正反射光はイメージセンサ17に到達しない。図6で説明したように、鏡面部151a上の正反射光の光強度は、粗面部151b上の正反射光の光強度よりも強い。そのため、仮に反射光フィルタ32がなかった場合、鏡面部151a上の正反射光の光強度と、粗面部151b上の正反射光の光強度との正反射光強度差が、イメージセンサ17のダイナミックレンジを超える場合がある。これに対し、鏡面部151a上の乱反射光の光強度と粗面部151b上の乱反射光の光強度との乱反射光強度差は、正反射光強度差と比較して小さい。そのため、反射光フィルタ32を配置することにより、イメージセンサ17に入射する光の光強度差をイメージセンサ17のダイナミックレンジ内に収めることが可能となる。結果として、鏡面部151aと粗面部151bを同時に観察することが可能となる。

なお、図1に示す被観察物51の形状を観察するためには、被観察物51表面の任意の一点で反射された光がイメージセンサ17の受光面のどこに到達したかが分かればよい。そのため、被観察物51表面の光の反射角及び光強度は重要でない。したがって、正反射光を遮光しても、被観察物51の表面観察には支障は生じない。

イメージセンサ17には、例えば図8に示す中央演算処理装置(CPU)300が接続されている。パターン素子21が初期位置に配置されていた場合、CPU300のデータ定義部309は、イメージセンサ17で光電変換された取り込み像を、第1の光強度分布データI₁(x, y)と定義する。また駆動機構221でパターン素子21を初期位置から移動させて、被観察物51の表面に投影された明暗のパターンをピッチP_dの四分の一の距離を移動させ、イメージセンサ17で光電変換された取り込み像を第2の光強度分布データI₂(x, y)と定義する。またパターン素子21を移動させて、被観察物51の表面に投影された明暗のパターンをさらにピッチP_dの四分の一の距離を移動させ、イメージセンサ17で光電変換された取り込み像を第3の光強度分布データI₃(x, y)と定義する。また被観察物51の表面に投影された明暗のパターンをさらにピッチP_dの四分の一の距離を移動させ、イメージセンサ17で光電変換された取り込み像を第４の光強度分布データI₄(x, y)と定義する。

第1乃至第4の光強度分布データI₁(x, y)〜I₄(x, y) のそれぞれは、x方向及びy方向に配置された複数の画素から構成される。複数の画素のそれぞれは、光強度のデータを有する。第1乃至第4の光強度分布データI₁(x, y)〜I₄(x, y)は、下記(1)〜(4)式で与えられる。

I₁(x, y) = A × cos(2 πx / P_d + φ(x, y)) + B …(1)
I₂(x, y) = A × cos(2 πx / P_d + φ(x, y) + π/2) + B …(2)
I₃(x, y) = A × cos(2 πx / P_d + φ(x, y) + π) + B …(3)
I₄(x, y) = A × cos(2 πx / P_d + φ(x, y) + 3 × π/2) + B …(4)
ここで、A、Bは各画素における定数であり、Aは振幅を、Bはバイアス項を示す。Aの値はフーリエレンズ13、投影レンズ14、及び集光レンズ15等のレンズ特性、並びに光源11が発する光の光強度、被観察物51の表面の反射率、及びイメージセンサ17の感度によって定まる。Bの値は、レンズ特性、被観察物51の表面の反射率、光源11が発する光の光強度、及びイメージセンサ17の感度の他に、迷光等の要因によって定まる。φ (x, y)は位相分布データを示す。

CPU300の位相算出部310は、下記(5)式に従って、第1乃至第4の光強度分布データI₁(x, y)〜I₄(x, y)から位相分布データφ(x, y)を算出する。位相分布データφ(x, y)は2π 周期で不連続である。

φ(x, y) = arctan{(I₄ - I₂) / (I₁ - I₃)} …(5)
CPU300の位相接続部311は、不連続な位相分布データφ(x, y)を「位相アンラップ」により接続する。位相アンラップとは、周りの位相データから連続になるように2π n（ nは0でない整数） を位相分布データφ(x, y)に加算、又は減算して、不連続な位相分布データφ(x, y)をつなぎ合わせることをいう。

CPU300の高さ算出部312は、接続された位相分布データφ(x, y)の単位系を変換し、図1に示す被観察物51の高さ分布データH(x, y)を算出する。ここで、イメージセンサ17の測定レンジはP_d / 2tanθで与えられる。P_d / 2tanθは2πと等価である。したがって高さ算出部312は、位相分布データφ(x, y)を下記(6)式に代入し、被観察物51の高さ分布データH(x, y)を算出する。

H(x, y) = (φ(x, y) / 2π) × P_d / 2tanθ … (6)
CPU300の制御部313は、図1に示す駆動機構221に指示信号を送り、パターン素子21の配置を設定する。

CPU300には、入力装置340、出力装置341、プログラム記憶装置330、及びデータ記憶装置331が接続されている。入力装置340としては、例えばキーボード、マウスやボイスデバイス等が使用可能である。出力装置341としては、プリンタ、液晶ディスプレイ(LCD)やCRTディスプレイ等が使用可能である。プログラム記憶装置330は、CPU300を制御するオペレーティングシステム等を保存する。データ記憶装置331は、CPU300による演算結果を逐次格納する。データ記憶装置331及びプログラム記憶装置330としては、例えば半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスクや磁気テープなどのプログラムを記録する記録媒体等が使用可能である。

次に本発明の第1の実施の形態に係る観察方法を、図9のフローチャートを参照して説明する。なお、図8に示すCPU300による演算結果は、データ記憶装置331に逐次格納される。

(a) ステップS100で、図1に示す被観察物51をステージ41上に配置する。次に被観察物51の観察が好適に行われる場所までステージ41を移動させ、駆動機構221によってパターン素子21のパターンを初期位置に配置する。また光源11から照射される光の光強度を調整する。ステップS101で図8に示す制御部313は、自然数をとる変数nに1を割り当てる。

(b) ステップS102で図1に示す光源11から光を発する。光は照明レンズ12で屈折され、パターン素子21をテレセントリックに照明する。照明されたパターン素子21のパターンの像は、フーリエレンズ13でフーリエ変換される。またフーリエレンズ13の光軸上に焦点を結ぶ光は照射光フィルタ31Aで遮光される。結果として、光軸と平行に進行してパターン素子21に入射する光軸平行入射光成分を遮光された光で照明されたパターンの像をフーリエ変換した像と等価な第1のフーリエ変換像が、照明光学系100で形成される。

(c) ステップS103で、第1のフーリエ変換像は投影レンズ14で逆フーリエ変換され、被観察物51上に投影像が投影される。ステップS104で、被観察物51上で反射された投影像は集光レンズ15でフーリエ変換される。被観察物51上で正反射した正反射光は反射光フィルタ32で遮光され、第2のフーリエ変換像が形成される。ステップS105で、第2のフーリエ変換像は再現レンズ16で逆フーリエ変換され、取り込み像がイメージセンサ17に投影される。

(d) ステップS106でイメージセンサ17は取り込み像を光電変換し、図8に示すデータ定義部309は光電変換された取り込み像を第nの光強度分布データI_n(x, y)と定義する。データ定義部309は、第nの光強度分布データI_n(x, y)をデータ記憶装置331に保存する。ステップS107で制御部313は、変数nが4以上であるか否かを判断する。変数nが4未満である場合はステップS108に進み、変数nが4以上である場合はステップS110に進む。

(e) ステップS108で制御部313は図1に示す駆動機構221に指示信号を送り、被観察物51の表面に投影された明暗のパターンが、ピッチP_dの四分の一の距離を移動するよう、パターン素子21を移動させる。ステップS109で図8に示す制御部313は、変数nに１を加算し、ステップS102に戻る。

(f) ステップS110で位相算出部310は、データ記憶装置331から第1乃至第4の光強度分布データI₁(x, y)〜I₄(x, y)を読み出す。次に位相算出部310は、上記(5)式に従って、第1乃至第4の光強度分布データI₁(x, y)〜I₄(x, y)から位相分布データφ(x, y)を算出する。位相算出部310は、算出した位相分布データφ(x, y)をデータ記憶装置331に保存する。

(g) ステップS111で位相接続部311は、データ記憶装置331から位相分布データφ(x, y)を読み出す。次に位相接続部311は、位相アンラップにより不連続な位相分布データφ(x, y)を接続する。位相接続部311は、連続となった位相分布データφ(x, y)をデータ記憶装置331に保存する。

(h) ステップS112で高さ算出部312は、データ記憶装置331から連続となった位相分布データφ(x, y)を読み出す。次に高さ算出部312は、接続された位相分布データφ(x, y)の単位系を変換し、図1に示す被観察物51の高さ分布データH(x, y)を算出する。その後、出力装置341は高さ分布データH(x, y)を表示し、第1の実施の形態に係る観察方法を終了する。

以上示した第1の実施の形態に係る観察方法によれば、図6に示す鏡面部151a及び粗面部151bの同時観察が可能となる。さらに、算出された高さ分布データH(x, y)から、図1に示す被観察物51の各座標における高さを定量化することも可能となる。

（第1の実施の形態の変形例）
第1の実施の形態においては、図4に示す照射光フィルタ31Aの照射光減光部131Aの光の透過率が0%である例を説明した。照射光減光部131Aの光の透過率が0%である場合、被観察物51は暗視野照明される。これに対し、変形例に係る図10に示す形状観察装置の照射光フィルタ31Bは、例えば10%〜50％の透過率で光を通す図11に示す照射光減光部131Bを備える。図10に示すフーリエレンズ13の光軸上に焦点を結ぶ光は照射光減光部131Bで減光され、一部が透過する。この場合、被観察物51は、暗視野照明と明視野照明を組み合わせた照明で照明される。

図6に示す鏡面部151a上で光が全く乱反射せず、反射光減光部135の光の透過率が0%である場合、パターン素子21のパターンに斜入射し、鏡面部151a上で正反射した正反射光は反射光フィルタ32で遮光されるため、図1に示す形状観察装置では鏡面部151aを観察できない。これに対し、図10に示す形状観察装置によれば、照明レンズ12の光軸と平行に進行してパターン素子21に入射し、照射光減光部131Bを透過し、被観察物51上で正反射した光は反射光透光部134を透過するため、反射光フィルタ32で遮光されない。そのため、鏡面部151a上で光が全く乱反射しない場合でも、鏡面部151aを観察することが可能となる。

なお、照射光減光部131Bの透過率を設定することにより、暗視野照明に対する明視野照明の比を設定することが可能である。したがって、正反射光の光強度がイメージセンサ17のダイナミックレンジに収まるよう、照射光減光部131Bの透過率を設定すればよい。

（第2の実施の形態）
第2の実施の形態に係る形状観察装置においては、図12に示すように、光源11に接して照射光フィルタ31Aが配置されている。照射光フィルタ31Aの図4に示す光の透過率が0%の照射光減光部131Aは、照明レンズ12の前焦点面の光軸上に配置されている。そのため、図12に示す光源11及び照射光フィルタ31Aによって、輪帯照明が提供される。照明レンズ12には、フーリエレンズ13の光軸上に焦点を結ぶ光が遮光された光が照射される。したがって、パターン素子21は、照明レンズ12の光軸に対して斜めに進行する光のみによって暗視野照明される。暗視野照明されたパターンの像は、フーリエレンズ13によってフーリエ変換される。フーリエレンズ13の焦点面には、絞り33が配置されている。パターン素子21を透過した光は、図2に示す絞り33の開口を通過する。図12に示す形状観察装置のその他の構成要素は、図1に示す形状観察装置と同様であるので、説明は省略する。第2の実施の形態に係る形状観察装置においても、被観察物51表面で正反射した正反射光は、反射光フィルタ32で遮光される。そのため、図6に示す鏡面部151aと粗面部151bを同時に観察することが可能となる。

次に、第2の実施の形態に係る観察方法を説明する。図12に示す形状観察装置を用いる場合、図9のステップS101で、図12に示す光源11から光を発する。フーリエレンズ13の光軸上に焦点を結ぶ光は、照射光フィルタ31Aで遮光される。照射光フィルタ31Aを透過した光は照明レンズ12で屈折され、パターン素子21を暗視野照明する。暗視野照明されたパターン素子21のパターンの像は、フーリエレンズ13でフーリエ変換され、第1のフーリエ変換像が形成される。その他のステップは、第1の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。

（第2の実施の形態の第1の変形例）
図13に示す第2の実施の形態の第1の変形例に係る形状観察装置は、輝度が高い部分と低い部分の分布がある光を発する変形照明光源111と、反射光を通す反射光透光部及び変形照明光源111の輝度分布において輝度が高い部分と共役で反射光を減光する反射光減光部を含む反射光フィルタ332とを備える。

図14に示すように、変形照明光源111は環状の発光面222、及び発光面222を保持する筐体223を備える。例えば発光面222には、複数のLEDが埋め込まれている。発光面222は照明レンズ12の光軸を囲むように配置される。そのため、図13に示すパターン素子21は照明レンズ12の光軸に対して斜めに進行する光のみによって暗視野照明される。

集光レンズ15の後焦点面に配置された反射光フィルタ332の反射光減光部は、変形照明光源111の輝度分布において輝度が高い部分である発光面222と共役である。反射光フィルタ332の上面図は、図7と同様であるので省略する。また図13に示す形状観察装置のその他の構成要素は、図12に示す形状観察装置と同様であるので、説明は省略する。

（第2の実施の形態の第2の変形例）
第2の実施の形態の第1の変形例に係る形状観察装置においては、図15に示すように、光源11に接して照射光フィルタ31Bが配置されている。そのため、フーリエレンズ13の光軸上に焦点を結ぶ光は照射光フィルタ31Bによって減光される。したがってパターン素子21は、照明レンズ12の光軸に対して斜めに進行する光と、斜めに進行する光よりも弱く、照明レンズ12の光軸と平行に進行する光軸平行入射光成分によって照明される。暗視野照明と明視野照明を組み合わせた照明によって照明されたパターンの像は、フーリエレンズ13によってフーリエ変換される。図15に示す形状観察装置のその他の構成要素は、図12に示す形状観察装置と同様であるため、説明は省略する。図6に示す鏡面部151a上で光が全く乱反射しない場合でも、図15に示す形状観察装置は鏡面部151aを観察可能である。

（第3の実施の形態）
図16に示す第3の実施の形態に係る形状観察装置の照射光フィルタ431は、照明レンズ12の光軸と平行に進行してパターン素子21に入射してフーリエレンズ13の光軸上に焦点を結ぶ光を通す図17に示す照射光透光部532を有する。また照射光フィルタ431は、照明レンズ12の光軸に対して斜めに進行してパターン素子21に入射した光を減光する図17に示す照射光減光部531を含む。

また図16に示す形状観察装置の反射光フィルタ432は、集光レンズ15の光軸上に配置され、集光レンズ15の光軸上に焦点を結ぶ光を減光する図18に示す反射光減光部535を含む。また反射光フィルタ432には、反射光減光部535を取り囲み、反射光を通す反射光透光部534が設けられている。さらに反射光フィルタ432は、反射光透光部534を取り囲む外周遮光部536を含む。

照射光減光部531は反射光透光部534と共役な部分を含む。したがって被観察物51で正反射した正反射光を、反射光減光部535で減光することが可能となる。図16に示す形状観察装置のその他の構成要素は、図1に示す形状観察装置と同様であるので、説明は省略する。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば図4に示す照射光フィルタ31Aは、円状の照射光減光部131A及び円環状の照射光透光部132を有す。これに対し、図19に示すように、照射光フィルタ31Aは、正方形の照射光減光部131A及び正方形の照射光減光部131Aを囲む照射光透光部132を有していてもよい。この場合、反射光フィルタ32は、図20に示すように、図19に示す照射光減光部131Aと相似な反射光透光部134を有する。なお、投影レンズ14の倍率と集光レンズ15の倍率が等しい場合、図19に示す照射光減光部131Aの一辺の長さは、図20に示す反射光透光部134の一辺の長さと等しいか、あるいは反射光透光部134の一辺の長さより長い。

被観察物51からの正反射光を減光できる限りにおいて、照射光フィルタ31A及び反射光フィルタ32の形状は任意である。例えば図21に示すように市松模様状に設けられた照射光透光部132と照射光減光部131Aを有する照射光フィルタ31Aと、図22に示すように市松模様状に設けられた反射光減光部135と反射光透光部134を有する反射光フィルタ32を用いてもよい。この場合、反射光減光部135は照射光透光部132と共役な部分を含むように配置される。

次に図23に示すその他の実施の形態に係る形状観察装置は、光源11から発せられた光を拡散する拡散レンズ52を備える。拡散レンズで拡散された光は、様々な方向からパターン素子21のパターンに入射する。しかし、フーリエレンズ13の光軸と平行に進行してパターン素子21に入射した光軸平行入射光成分はフーリエレンズ13の光軸上の焦点で、照射光フィルタ31Aによって減光される。その他の構成要素は、図1に示す形状観察装置と同様であるので、説明は省略する。

また第1の実施の形態では、パターン素子21の2次元格子パターンを投影し、格子パターン投影法により被観察物51表面の形状を定量化する例を説明した。これに対し、図24の上面図に示すように、透光性のスリットパターン422が設けられた遮光板423を備えるパターン素子421を、パターン素子21の代わりに配置してもよい。この場合、光切断法により、被観察物51表面の高さを定量化することが可能となる。具体的には、被観察物51が平坦であれば、被観察物51上におけるスリットパターン422の投影像は直線となる。しかし被観察物51が凹凸を有する場合、被観察物51上におけるスリットパターン422の投影像は歪み、曲線になる。したがってスリットパターン422の投影像の歪み具合をスキャンすることにより、被観察物51の表面形状を観察することが可能となる。

あるいは図25の上面図に示すように、透光性のピンホールパターン522が設けられた遮光板523を備えるパターン素子521を、パターン素子21の代わりに配置してもよい。この場合、三角測量法により、被観察物51表面の形状を定量化することが可能となる。具体的には、ピンホールパターン522を透過した光で被観察物51をラスタースキャンすることにより、被観察物51の表面形状を観察することが可能となる。

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る形状観察装置の模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る絞りの上面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るパターン素子の上面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る照射光フィルタの上面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光軸の模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る被観察物上の光線の模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る反射光フィルタの上面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る中央演算処理装置のブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る観察方法を示す第１のフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る形状観察装置の模式図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る照射光フィルタの上面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る形状観察装置の模式図である。 本発明の第２の実施の形態の第１の変形例に係る形状観察装置の模式図である。 本発明の第２の実施の形態の第１の変形例に係る光源の発光面の模式図である。 本発明の第２の実施の形態の第２の変形例に係る形状観察装置の模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る形状観察装置の模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る照射光フィルタの上面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る反射光フィルタの上面図である。 本発明のその他の実施の形態に係る照射光フィルタの第１の上面図である。 本発明のその他の実施の形態に係る反射光フィルタの第１の上面図である。 本発明のその他の実施の形態に係る照射光フィルタの第２の上面図である。 本発明のその他の実施の形態に係る反射光フィルタの第２の上面図である。 本発明のその他の実施の形態に係る形状観察装置の模式図である。 本発明のその他の実施の形態に係るパターン素子の第１の上面図である。 本発明のその他の実施の形態に係るパターン素子の第２の上面図である。

符号の説明

11…光源
12…照明レンズ
13…フーリエレンズ
14…投影レンズ
15…集光レンズ
16…再現レンズ
17…イメージセンサ
21…パターン素子
31A…照射光フィルタ
31B…照射光フィルタ
32…反射光フィルタ
33…絞り
41…ステージ
51…被観察物
52…拡散レンズ
100…照明光学系
111…変形照明光源
121a, 121b, 121c…透光部
122a, 122b, 122c…遮光部
131A, 131B…照射光減光部
132…照射光透光部
133…外周遮光部
134…反射光透光部
135…反射光減光部
151a…鏡面部
151b…粗面部
221…駆動機構
222…発光面
223…筐体
300…CPU
309…データ定義部
310…位相算出部
311…位相接続部
312…高さ算出部
313…制御部
330…プログラム記憶装置
331…データ記憶装置
332…反射光フィルタ
340…入力装置
341…出力装置
421…パターン素子
422…スリットパターン
423…遮光板
431…照射光フィルタ
432…反射光フィルタ
521…パターン素子
522…ピンホールパターン
523…遮光板
531…照射光減光部
532…照射光透光部
534…反射光透光部
535…反射光減光部
536…外周遮光部

Claims (19)

1. 光を発する光源と、
   前記光が照射されるパターンを有するパターン素子と、
   前記パターンを透過した前記光を集光するフーリエレンズと、
   前記光源又は前記光源と共役な位置に配置され、前記光を通す照射光透光部を含む照射光フィルタと、
   前記フーリエレンズを透過した前記光をコリメートする投影レンズと、
   前記コリメートされた光で照射された被観察物表面の反射光を集光する集光レンズと、
   前記照射光透光部と共役で前記反射光を減光する反射光減光部を含む反射光フィルタ
   とを備えることを特徴とする形状観察装置。
2. 前記光を前記パターン素子に斜入射させる照明レンズを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の形状観察装置。
3. 前記パターン素子に入射する前記光を発散させる拡散レンズを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の形状観察装置。
4. 前記照射光フィルタは、前記光を減光する照射光減光部を前記フーリエレンズの光軸上に更に含むことを特徴とする請求項１に記載の形状観察装置。
5. 前記照射光透光部は、前記照射光減光部を囲んでいることを特徴とする請求項４に記載の形状観察装置。
6. 前記照射光減光部の前記光の透過率は０％であることを特徴とする請求項４又は５に記載の形状観察装置。
7. 輝度が高い部分と低い部分の分布がある光を発する変形照明光源と、
   前記光が照射されるパターンを有するパターン素子と、
   前記パターンを透過した光を集光するフーリエレンズと、
   前記集光された光をコリメートする投影レンズと、
   前記コリメートされた光で照射された被観察物表面の反射光を集光する集光レンズと、
   前記輝度分布における輝度が高い部分と共役で前記反射光を減光する反射光減光部を含む反射光フィルタ
   とを備えることを特徴とする形状観察装置。
8. 前記フーリエレンズの焦点面に配置された絞りを更に備えることを特徴とする請求項７に記載の形状観察装置。
9. 前記投影レンズの光軸と前記集光レンズの光軸は、同一平面上にあり、それぞれの前記被観察物表面の垂直方向に対する角度が等しいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の形状観察装置。
10. 前記投影レンズの光軸と前記集光レンズの光軸は、前記被観察物上で交差することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の形状観察装置。
11. 前記パターンは、格子パターンであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の形状観察装置。
12. 前記パターンは、スリットパターンであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の形状観察装置。
13. 前記パターンは、ピンホールパターンであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の形状観察装置。
14. 光源から光を発することと、
    パターンを前記光で照射することと、
    前記光で照射されたパターンの像をフーリエ変換した第１のフーリエ変換像を形成することと、
    前記第１のフーリエ変換像を逆フーリエ変換した投影像を、被観察物に斜めに投影することと、
    前記被観察物上で反射された前記投影像をフーリエ変換して第２のフーリエ変換像を形成することと、
    前記被観察物上で正反射した前記光を減光することと、
    前記第２のフーリエ変換像を逆フーリエ変換すること
    とを備えることを特徴とする形状観察方法。
15. 前記光源に接した位置又は前記光源と共役な位置で前記光の断面において前記光の一部を減光することを更に備えることを特徴とする請求項１４に記載の形状観察方法。
16. 前記第２のフーリエ変換像を逆フーリエ変換した取り込み像を光電変換することを更に備えることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の形状観察方法。
17. 前記パターンは、格子パターンであることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の形状観察方法。
18. 前記パターンは、スリットパターンであることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の形状観察方法。
19. 前記パターンは、ピンホールパターンであることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の形状観察方法。