JP7145030B2 - 測定方法及び測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定方法及び測定装置に関し、例えば、試料の凹凸のある測定面の３次元形状を測定する測定方法及び測定装置に関する。

共焦点顕微鏡は、共焦点光学系を有している。共焦点光学系は、対物レンズの焦点位置と共役な位置にピンホール等を配置することで、焦点のあった位置のみの光を検出する。これにより、共焦点顕微鏡は、試料の測定面における対物レンズの焦点があった部分のみの情報を得ることができる。

特開２０１３－２２２１０９号公報 特開２０１７－０９０６３４号公報

共焦点顕微鏡を用いて、凹凸のある測定面の３次元形状を測定するためには、試料または対物レンズを光軸方向に沿って移動させ、輝度のピーク位置に基づいて３次元形状を測定する。よって、試料または対物レンズを光軸方向に沿って移動させる必要があり、３次元形状の取得に長時間を要していた。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、試料の測定面の形状を迅速に測定することができる測定方法及び測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る測定方法は、共焦点光学系を用いた測定方法であって、試料の測定面を照明する照明光が前記測定面で反射した反射光を対物レンズにより集光するステップと、前記対物レンズにより集光した前記反射光を、プリズムの第１反射面及び第２反射面を含む角部に入射させ、前記反射光を分割するステップと、分割された前記反射光のうち前記第１反射面で反射した第１反射光を、前記角部に入射した前記反射光の光軸及び前記第１反射光の光軸を含む平面内において、前記第１反射光の光軸に直交した方向に並んだ第１チャンネル及び第２チャンネルを含むバンドルファイバに入射させるステップと、前記第１反射光のうち前記第１チャンネルを透過した光の第１強度及び前記第１反射光のうち前記第２チャンネルを透過した光の第２強度を検出するステップと、前記第１強度及び前記第２強度に基づいて、前記対物レンズの焦点に対する前記測定面の位置を測定するステップと、を備える。このような構成により、試料の測定面の形状を迅速に測定することができる。

また、本発明に係る測定装置は、共焦点光学系と、測定処理部と、を備えた測定装置であって、前記共焦点光学系は、試料の測定面を照明する照明光が前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、第１反射面及び第２反射面を含む角部を有し、前記角部に入射した前記反射光を分割するプリズムと、分割された前記反射光のうち前記第１反射面で反射した第１反射光が入射するバンドルファイバであって、前記角部に入射した前記反射光の光軸及び前記第１反射光の光軸を含む平面内において、前記第１反射光の光軸に直交した方向に並んだ第１チャンネル及び第２チャンネルを含む前記バンドルファイバと、前記第１反射光のうち前記第１チャンネルを透過した光の第１強度及び前記第１反射光のうち前記第２チャンネルを透過した光の第２強度を検出する受光素子と、を含み、前記測定処理部は、前記第１強度及び前記第２強度に基づいて、前記対物レンズの焦点に対する前記測定面の位置を測定する。このような構成により、試料の測定面の形状を迅速に測定することができる。

さらに、本発明に係る測定装置は、共焦点光学系と、測定処理部と、を備えた測定装置であって、前記共焦点光学系は、試料の測定面を照明する照明光が前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、前記測定面に対する前記対物レンズの焦点を検出するフォーカス検出手段と、を含み、前記測定処理部は、前記フォーカス検出手段により検出した前記焦点に基づいて、前記測定面の位置を測定する。このような構成により、試料の測定面の形状を迅速に測定することができる。

本発明によれば、試料の測定面の形状を迅速に測定することができる測定方法及び測定装置を提供することができる。

実施形態１に係る測定装置を例示した斜視図である。 実施形態１に係る測定装置を例示した構成図である。 （ａ）は、実施形態１に係る測定装置において、ナイフエッジプリズム及びバンドルファイバの配置を例示した構成図であり、（ｂ）は、バンドルファイバの端面を例示した図である。 実施形態１に係る測定装置において、試料の測定面が対物レンズの焦点に位置する場合の反射光を例示した図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施形態１に係る測定装置において、試料の測定面が対物レンズの焦点よりも対物レンズ側に位置する場合の反射光を例示した図であり、ナイフエッジプリズムにより第２反射光が遮光された場合の第１反射光を示す。 （ａ）及び（ｂ）は、実施形態１に係る測定装置において、試料の測定面が対物レンズの焦点よりも対物レンズと反対側に位置する場合の反射光を例示した図であり、ナイフエッジプリズムにより第２反射光が遮光された場合の第１反射光を示す。 （ａ）は、実施形態１に係る測定装置のナイフエッジプリズム及びバンドルファイバに入射する反射光を例示した図であり、試料の測定面が対物レンズの焦点に位置する場合を示し、（ｂ）は、（ａ）におけるバンドルファイバの各チャンネルの受光状態を例示した図である。 （ａ）は、実施形態１に係る測定装置のナイフエッジプリズム及びバンドルファイバに入射する反射光を例示した図であり、試料の測定面が対物レンズの焦点よりも対物レンズ側に位置する場合を示し、（ｂ）は、（ａ）におけるバンドルファイバの各チャンネルの受光状態を例示した図である。 （ａ）は、実施形態１に係る測定装置のナイフエッジプリズム及びバンドルファイバに入射する反射光を例示した図であり、試料の測定面が対物レンズの焦点よりも対物レンズと反対側に位置する場合を示し、（ｂ）は、（ａ）におけるバンドルファイバの各チャンネルの受光状態を例示した図である。 実施形態１に係る測定装置において、各チャンネルを透過した第１反射光の強度を例示した図であり、縦軸は、上から第１チャンネル３９ａ、第３チャンネル３９ｃ及び第２チャンネル３９ｂを透過した反射光を示す。 （ａ）は、実施形態１に係る各チャンネルを透過した第１反射光の強度を例示したグラフであり、横軸は、対物レンズの焦点に対する測定面の位置を示し、縦軸は、第１強度、第２強度及び第３強度を示し、（ｂ）は、第２強度（Ａ）及び第１強度（Ｂ）の差（Ａ－Ｂ）を、第２強度及び第１強度の和（Ａ＋Ｂ）で割った値Ｉを例示したグラフであり、横軸は、対物レンズの焦点に対する測定面の位置を示し、縦軸は、値Ｉを示す。 実施形態１に係る測定方法を例示したフローチャート図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施形態１に係る測定方法において、試料の測定面を例示した平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施形態１に係る測定方法において、試料を例示した断面図である。 （ａ）は、実施形態１に係るナイフエッジプリズムを例示した斜視図であり、（ｂ）は、実施形態１の変形例１に係る四角錐のプリズムを例示した斜視図である。 （ａ）～（ｈ）は、実施形態１の変形例２に係るバンドルファイバの端面及び受光素子を例示した図である。 実施形態２に係る測定装置を例示した構成図である。 実施形態３に係る測定装置を例示した構成図である。 実施形態４に係る測定装置を例示した構成図である。

以下、本実施形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。

（実施形態１）
実施形態１に係る測定装置を説明する。まず、測定装置の構成と測定原理を説明する。その後、測定装置を用いた測定方法を説明する。

＜測定装置の構成＞
実施形態１に係る測定装置の構成を説明する。図１は、実施形態１に係る測定装置を例示した斜視図である。図２は、実施形態１に係る測定装置を例示した構成図である。図２では、構成を簡潔にするため、同一平面上に光学部品を配置している。なお、他の図でも構成を簡潔にするため、適宜、同一平面上に光学部品を配置する場合がある。図１及び図２に示すように、測定装置１は、光源１０、共焦点光学系２０及び測定処理部４１を備えている。測定装置１は、試料５０の測定面５１の形状を測定する。測定装置１は、例えば、共焦点光学系２０を備えた共焦点顕微鏡を用いている。

光源１０は、照明光１１を生成する。光源１０は、例えば、波長４０５ｎｍの半導体レーザを用いる。なお、半導体レーザの波長は４０５ｎｍに限定しなくてもよい。また、半導体レーザ以外のレーザでもよい。また、連続スペクトルに複数の輝線を含む水銀キセノンランプ、紫外から赤外域（１８５ｎｍ～２０００ｎｍ）に幅広い連続スペクトルを有するキセノンランプ、白色ダイオード、白色レーザ等を用いて、バンドパスフィルタで特定域の波長の光を取り出してもよい。

共焦点光学系２０は、アナモルフィックプリズム２１、ビームエキスバンダ２２、偏光ビームスプリッタ２３、ミラー２４、ガルバノミラーＸ２５、レンズ２６～２９、ガルバノミラーＹ３１、λ／４板３２、ダイクロイックミラー３３、対物レンズ３４、可変焦点レンズ３５、ナイフエッジプリズム３６、バンドルファイバ３９、受光素子４０、駆動部３４ｋ（５０ｋ）を含んでいる。ガルバノミラーＸ２５及びガルバノミラーＹ３１を走査部ともいう。

光源１０で生成された照明光１１は、光源１０から出射する。光源１０から出射した照明光１１は、アナモルフィックプリズム２１に入射する。アナモルフィックプリズム２１は、入射した照明光１１の形状を成形する。例えば、アナモルフィックプリズム２１は、照明光１１の光軸に直交する断面の形状を真円状に成形する。

アナモルフィックプリズム２１によって成形された照明光１１は、ビームエキスバンダ２２によって拡大される。ビームエキスバンダ２２は、照明光１１の真円状の断面の直径をより大きな直径の円となるように拡大させる。

ビームエキスバンダ２２によって拡大された照明光１１は、偏光ビームスプリッタ２３に入射する。偏光ビームスプリッタ２３は、入射した照明光１１の一部を透過させ、一部を反射させる。偏光ビームスプリッタ２３を透過した照明光１１は、ミラー２４で反射する。

ミラー２４で反射した照明光１１は、ガルバノミラーＸ２５に入射する。ガルバノミラーＸ２５は、試料５０の測定面５１を照明光１１で走査（スキャン）させる。測定面５１をＸＹ平面とした場合に、例えば、Ｘ軸方向にスキャンさせる。ガルバノミラーＸ２５をガルバノミラーＹ３１とともに走査部という。ガルバノミラーＸ２５で反射した照明光１１は、レンズ２６によって、一次像を形成された後、レンズ２７によって、平行光に戻される。

レンズ２７を透過した照明光１１は、ガルバノミラーＹ３１に入射する。ガルバノミラーＹ３１は、試料５０の測定面５１を照明光１１で走査（スキャン）させる。測定面５１をＸＹ平面とした場合に、例えば、Ｙ軸方向にスキャンさせる。したがって、ガルバノミラーＸ２５及びガルバノミラーＹ３１の走査部により、試料５０の測定面５１を２次元的にスキャンすることができる。ガルバノミラーＹ３１で反射された照明光１１は、レンズ２８によって、一次像を形成された後、レンズ２９によって、平行光に戻される。

レンズ２９を透過した照明光１１は、λ／４板３２に入射する。λ／４板３２は、偏光状態を変化させる。例えば、λ／４板３２は、直線偏光の照明光を円偏光に変える。λ／４板３２によって偏光状態が変化された照明光１１は、ダイクロイックミラー３３で反射する。ダイクロイックミラー３３は、照明光１１における特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過させる。

ダイクロイックミラー３３で反射した照明光１１は、対物レンズ３４で集光され、試料５０の測定面５１を照明する。ガルバノミラーＸ２５及びＹ３１によって、測定面５１をＸＹ方向に照明光１１でスキャンさせながら、試料５０の測定面５１を照明する。測定面５１を照明した照明光１１は、測定面５１で反射する。

測定面５１で反射した反射光１２は、対物レンズ３４によって集光される。このように、対物レンズ３４は、試料５０の測定面５１を照明する照明光１１が測定面５１で反射した反射光１２を集光する。なお、対物レンズ３４は、照明光１１により測定面５１から発生した蛍光を集光してもよい。その場合には、反射光１２は、蛍光を含む意味で用いる。

対物レンズ３４には、対物レンズ３４を照明光１１の光軸１１ｊ方向に移動させる駆動部３４ｋが取り付けられてもよい。なお、駆動部３４ｋの代わりに、試料５０を光軸１１ｊ方向に移動させる駆動部５０ｋが、試料５０を載置させるステージに取付けられてもよい。駆動部３４ｋ及び５０ｋは、試料５０または対物レンズ３４を照明光１１の光軸１１ｊ方向に間隔を空けて複数回移動させてもよい。これにより、光軸１１ｊ方向にスキャンさせることができる。対物レンズ３４で集光された反射光１２は、偏光ビームスプリッタ２３まで逆の光路をたどる。

すなわち、反射光１２は、ダイクロイックミラー３３、λ／４板３２、レンズ２９、レンズ２８、ガルバノミラーＹ３１、レンズ２７、レンズ２６、ガルバノミラーＸ２５、ミラー２４を経て、偏光ビームスプリッタ２３に入射する。偏光ビームスプリッタ２３で反射した反射光１２は、可変焦点レンズ３５を透過する。可変焦点レンズ３５を透過した反射光１２は、ナイフエッジプリズム３６に入射する。

ナイフエッジプリズム３６は、例えば、直角二等辺三角形を２つの対向する底面とする三角柱状のプリズムである。ナイフエッジプリズム３６は、ナイフエッジ部３６ｅを有している。ナイフエッジ部３６ｅは、各底面を構成する直角二等辺三角形の直角の各頂点を結ぶ稜線に形成されている。したがって、ナイフエッジ部３６ｅは、一方向に延在している。

ナイフエッジ部３６ｅは、ナイフエッジプリズム３６において、隣り合う側面が角を形成する角部の一つである。ナイフエッジ部３６ｅを挟む隣り合う側面は直角をなしている。直角をなす隣り合う側面を第１反射面３６a及び第２反射面３６ｂとする。このように、ナイフエッジプリズム３６は、第１反射面３６ａ及び第２反射面３６ｂを含む角部を有している。具体的には、ナイフエッジプリズム３６は、第１反射面３６a及び第２反射面３６ｂにより構成されたナイフエッジ部３６ｅを角部として有している。

可変焦点レンズ３５を透過した反射光１２の光軸は、ナイフエッジ部３６ｅの延在方向に直交する。また、反射光１２の光軸は、第１反射面３６ａ及び第２反射面３６ｂとのなす角が等しくなるような方向から、ナイフエッジ部３６ｅに入射する。よって、第１反射面３６a及び第２反射面３６ｂに対する反射光１２の入射角は等しい。

ナイフエッジプリズム３６は、ナイフエッジ部３６ｅに入射した反射光１２を分割する。ナイフエッジ部３６ｅに入射した反射光１２は、第１反射面３６ａで反射した第１反射光１２ａ及び第２反射面３６ｂで反射した第２反射光１２ｂに分割される。分割された反射光１２のうち第１反射光１２ａは、一方のバンドルファイバ３９に入射する。また、分割された反射光１２のうち第２反射光１２ｂは、他方のバンドルファイバ３９に入射する。

図３（ａ）は、実施形態１に係る測定装置１において、ナイフエッジプリズム３６及びバンドルファイバ３９の配置を例示した構成図であり、（ｂ）は、バンドルファイバ３９の端面を例示した図である。図３（ａ）に示すように、反射光１２は、ナイフエッジプリズム３６のナイフエッジ部３６ｅに入射する。ナイフエッジ部３６ｅに入射した反射光１２は、第１反射光１２ａ及び第２反射光１２ｂに分割される。

図３（ｂ）に示すように、バンドルファイバ３９は、第１チャンネル３９ａ、第２チャンネル３９ｂ及び第３チャンネル３９ｃを含んでいる。バンドルファイバ３９は、第１チャンネル３９ａと第２チャンネル３９ｂとの間に配置された第３チャンネル３９ｃを含んでいる。各チャンネルは、例えば、ファイバを含んでいる。よって、バンドルファイバ３９は、複数のファイバが束になったものである。

第１チャンネル３９ａ、第２チャンネル３９ｂ及び第３チャンネル３９ｃは、角部に入射した反射光１２の光軸１２ｊ及び第１反射光１２ａの光軸１２ａｊを含む平面内において、第１反射光１２ａの光軸１２ａｊに直交した方向に並んでいる。角度がナイフエッジ部３６ｅの場合には、第１チャンネル３９ａ、第２チャンネル３９ｂ及び第３チャンネル３９ｃは、第１反射光１２ａの光軸１２ａｊ、及び、ナイフエッジ部３６ｅの延在方向、に直交する方向に並んでいる。

各チャンネルのジャケットの外径は、例えば、φ２５０［μｍ］である。第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂのコア径及びクラッド径は、例えば、φ１０５［μｍ］及びφ１２５［μｍ］である。第３チャンネル３９ｃのコア径及びクラッド径は、φ５０［μｍ］及びφ１２５［μｍ］である。

各バンドルファイバ３９は、第１反射光１２ａ及び第２反射光１２ｂを透過させる。各バンドルファイバ３９に入射した各反射光１２は、各チャンネルを介して受光素子４０により検出される。第１反射光１２ａのうち第１チャンネル３９ａを透過した光の強度を第１強度といい、第１反射光１２ａのうち第２チャンネル３９ｂを透過した光の強度を第２強度という。第１反射光１２ａのうち第３チャンネル３９ｃを透過した光の強度を第３強度という。受光素子４０は、第１強度、第２強度、及び、第３強度を出力する。

試料５０の測定面５１を照明光１１でスキャンすることにより、受光素子４０が出力した測定面５１における反射光の第１強度、第２強度及び第３強度と、ガルバノミラーＸ２５及びガルバノミラーＹ３１の振り角を測定処理部４１で処理し、測定面５１における反射光の第１強度、第２強度及び第３強度の分布を算出する。

測定処理部４１は、駆動部３４ｋまたは駆動部５０ｋに取り付けられたスケールから対物レンズ３４と測定面５１の相対位置を取得する。また、測定処理部４１は、測定面５１を照明光１１で走査させた場合の測定面５１における反射光の第１強度、第２強度及び第３強度の分布を算出する。これにより、測定処理部４１は、測定面５１の３次元形状を測定する。なお、測定処理部４１は、第１強度及び第２強度に基づいて、対物レンズ３４の焦点に対する測定面５１の位置を測定してもよい。

さらに、測定処理部４１は、駆動部５０ｋが試料５０を、または、駆動部３４ｋが対物レンズ３４を移動させる度に、測定面５１を照明光１１で走査させた場合の反射光の第１強度、第２強度及び第３強度の分布を取得する。そして、測定処理部４１は、取得した複数の反射光の強度分布に基づいて、測定面５１に焦点５３が位置したときの試料５０または対物レンズ３４の位置を導出し、測定面５１の３次元形状を測定する。測定処理部４１は、例えば、汎用的なＰＣである。

＜測定原理＞
次に、実施形態１に係る測定装置１において、試料５０の測定面５１の３次元形状を測定する原理を説明する。まず、試料５０の測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３に位置する場合を説明する。

図４は、実施形態１に係る測定装置１において、試料５０の測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３に位置する場合の反射光１２を例示した図である。図４に示すように、測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３に位置する場合には、照明光１１が測定面５１で反射した反射光１２は対物レンズ３４で集光された後、可変焦点レンズ３５によって集光され、受光素子４０上で焦点を結ぶ。

ここで、反射光１２の光軸方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する面上にＸ軸方向及びＹ軸方向を規定する。受光素子４０において、反射光１２が焦点を結んだ点から＋Ｙ軸方向側を受光素子４０ａとし、－Ｙ軸方向側を受光素子４０ｂとする。

次に、試料５０の測定面５１が対物レンズ３４側に突出している場合、すなわち、測定面５１と対物レンズ３４とが近づいて、測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３よりも対物レンズ３４側に位置する場合を説明する。

図５（ａ）及び（ｂ）は、実施形態１に係る測定装置１において、試料５０の測定面５１が、対物レンズ３４の焦点５３よりも対物レンズ３４側に位置する場合の反射光１２を例示した図であり、ナイフエッジプリズム３６により第２反射光１２ｂが遮光された場合の第１反射光１２ａを示す。

図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、ナイフエッジ部３６ｅの延在方向をＸ軸方向とする。試料５０の測定面５１が、対物レンズ３４の焦点５３よりも対物レンズ３４側に位置する場合には、第１反射光１２ａは、受光素子４０ａ上で広がっており、受光素子４０ａよりも後側（＋Ｚ軸方向側）で焦点を結ぶ。ナイフエッジプリズム３６により第２反射光１２ｂが遮光された場合には、－Ｙ軸方向側の反射光を遮光し、＋Ｙ軸方向側の反射光のみを受光する状態となっている。

すなわち、受光素子４０ａが受光していれば、試料５０の測定面５１は、焦点５３よりも対物レンズ３４側に位置している。そして、測定面５１が対物レンズ３４側に近づくほど、スポット径が大きくなっている。よって、測定面５１が対物レンズ３４側に位置するほど、受光素子４０ａが受光する輝度が減少する。

次に、試料５０の測定面５１が対物レンズ３４とは反対側に遠のいている場合、すなわち、測定面５１と対物レンズ３４とが離れて、測定面５１が焦点５３よりも対物レンズ３４とは反対側に位置する場合を説明する。

図６（ａ）及び（ｂ）は、実施形態１に係る測定装置１において、試料５０の測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３よりも対物レンズ３４と反対側に位置する場合の反射光１２を例示した図であり、ナイフエッジプリズム３６により第２反射光１２ｂが遮光された場合の第１反射光１２ａを示す。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、試料５０の測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３よりも対物レンズ３４と反対側に位置する場合には、第１反射光１２ａは、受光素子４０よりも前側（－Ｚ軸方向側）で焦点を結ぶ。ナイフエッジプリズム３６により第２反射光１２ｂが遮光された場合には、＋Ｙ軸方向側の反射光を遮光し、－Ｙ軸方向側の反射光のみを受光する状態となっている。

すなわち、受光素子４０ｂが受光していれば、試料５０の測定面５１は、対物レンズ３４の焦点５３よりも遠くに位置している。そして、測定面５１が対物レンズ３４から離れるほど、スポット径が大きくなっている。よって、測定面５１が対物レンズ３４と反対側に位置するほど、受光素子４０ｂが受光する輝度が減少する。

このように、試料５０の測定面５１が焦点５３よりも対物レンズ３４側に位置するのか対物レンズ３４とは反対側に位置するかによって、ナイフエッジ部３６ｅによって分割された反射光１２の到達位置と収束具合が異なる。よって、ナイフエッジ部３６ｅによって分割された反射光１２の到達位置と収束具合から対物レンズ３４の焦点５３に対する測定面５１の位置を検出することができる。

図７（ａ）は、実施形態１に係る測定装置１のナイフエッジプリズム３６及びバンドルファイバ３９に入射する反射光１２を例示した図であり、試料５０の測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３に位置する場合を示し、（ｂ）は、（ａ）におけるバンドルファイバの各チャンネルの受光状態を例示した図である。図（ａ）及び（ｂ）に示すように、測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３に位置する場合には、第１反射光１２ａは、バンドルファイバ３９の第３チャンネル３９ｃを主に透過する。

図８（ａ）は、実施形態１に係る測定装置１のナイフエッジプリズム３６及びバンドルファイバ３９に入射する反射光を例示した図であり、試料５０の測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３よりも対物レンズ３４側に位置する場合を示し、（ｂ）は、（ａ）におけるバンドルファイバ３９の各チャンネルの受光状態を例示した図である。図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、試料５０の測定面５１が、対物レンズ３４の焦点５３よりも対物レンズ３４側に位置する場合には、第１反射光１２ａは、バンドルファイバ３９の第２チャンネル３９ｂを主に透過する。

図９（ａ）は、実施形態１に係る測定装置１のナイフエッジプリズム３６及びバンドルファイバ３９に入射する反射光を例示した図であり、試料５０の測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３よりも対物レンズ３４と反対側に位置する場合を示し、（ｂ）は、（ａ）におけるバンドルファイバ３９の各チャンネルの受光状態を例示した図である。図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、試料５０の測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３よりも対物レンズ３４と反対側に位置する場合には、第１反射光１２ａは、バンドルファイバ３９の第１チャンネル３９ａを主に透過する。

図１０は、実施形態１に係る測定装置１において、各チャンネルを透過した第１反射光１２ａの強度を例示した図であり、横軸は、対物レンズ３４の焦点５３に対する測定面５１の位置を示し、縦軸は、上から第１チャンネル３９ａ、第３チャンネル３９ｃ及び第２チャンネル３９ｂを透過した反射光を示す。照明光１１の光軸１１ｊ方向をＺ軸方向とした場合に、対物レンズ３４の焦点５３の位置を０とし、焦点５３から対物レンズ３４側の向きを＋Ｚ軸方向、焦点５３から対物レンズ３４と反対側の向きを－Ｚ軸方向とする。

図１０に示すように、位置Ｚ＝０［μｍ］の場合には、第３チャンネル３９ｃを透過した第１反射光１２ａの強度（第３強度）が大きく、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを透過した第１反射光１２ａの強度（第１強度及び第２強度）は小さい。位置Ｚ＝＋１０～＋２０［μｍ］の場合には、第２強度が大きく、第１強度及び第３強度は小さい。位置Ｚ＝－１０～－２０［μｍ］の場合には、第１強度が大きく、第２強度及び第３強度は小さい。

図１１（ａ）は、実施形態１に係る各チャンネルを透過した第１反射光１２ａの強度を例示したグラフであり、横軸は、対物レンズ３４の焦点５３に対する測定面５１の位置を示し、縦軸は、第１強度、第２強度及び第３強度を示す。図１１（ａ）に示すように、測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３に位置している場合には、第３強度が最も大きい。また、第１強度と第２強度とは、同程度の強度となっている。

一方、測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３よりも対物レンズ３４側に位置している場合には、第２強度が第１強度及び第３強度よりも大きくなるピークが存在する。また、測定面５１が焦点５３よりも対物レンズ３４と反対側に位置している場合には、第１強度が第２強度及び第３強度よりも大きくなるピークが存在する。

図１１（ｂ）は、第２強度（Ａ）及び第１強度（Ｂ）の差（Ａ－Ｂ）を、第２強度及び第１強度の和（Ａ＋Ｂ）で割った値Ｉを例示したグラフであり、横軸は、対物レンズ３４の焦点５３に対する測定面５１の位置を示し、縦軸は、値Ｉを示す。図１１（ｂ）に示すように、値Ｉ＝（Ａ－Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）は、－Ｚ軸方向側では負の値であり、Ｚ＝０に近づくにつれて大きくなる。また、Ｚ＝０に近づくにつれ０に近づく。そして、Ｚ＝０では、不可避な誤差を除いて、値Ｉは０になる。＋Ｚ軸方向側では、値Ｉは正の値となり、大きくなる。本実施形態では、第１強度及び第２強度の差を用いて、値I＝０となるＺを測定面５１が対物レンズの焦点５３に合った位置として決定するので、精度よく測定面５１の位置を測定することができる。

特に、低倍率の対物レンズ３４を使用した場合には、測定面５１の位置Ｚの変化に対して、反射光強度の変化が小さい。よって、輝度のピークから測定面５１の位置を測定することが困難である。しかしながら、本実施形態では、第１強度及び第２強度の差を用いるので、測定面５１に焦点５３が一致した位置を精度よく測定することができる。

このようにして、測定装置１は、第１強度及び第２強度、または、第１強度～第３強度に基づいて、対物レンズ３４の焦点５３位置に対する測定面５１の位置を測定する。そして、測定面５１を照明光１１で走査することにより、測定面５１の３次元形状を測定する。以上が本実施形態における３次元形状を検出する原理である。

（測定方法）
次に、実施形態１に係る共焦点光学系を用いた測定方法を説明する。図１２は、実施形態１に係る測定方法を例示したフローチャート図である。

図１２のステップＳ１１に示すように、反射光１２を対物レンズ３４により集光する。具体的には、試料５０の測定面５１を照明する照明光１１が測定面５１で反射した反射光を対物レンズ３４により集光する。

次に、ステップＳ１２に示すように、反射光１２を分割する。具体的には、対物レンズ３４により集光した反射光１２を、プリズムの第１反射面３６ａ及び第２反射面３６ｂを含む角部に入射させ、反射光１２を分割する。例えば、プリズムは、第１反射面３６ａ及び第２反射面３６ｂにより構成されたナイフエッジ部３６ｅを角部として有したナイフエッジプリズム３６である。

次に、ステップＳ１３に示すように、分割された反射光１２をバンドルファイバ３９に入射させる。具体的には、分割された反射光１２のうち第１反射面３６ａで反射した第１反射光１２ａを、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを含むバンドルファイバ３９に入射させる。ここで、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂは、角部に入射した反射光１２の光軸１２ｊ及び第１反射光１２ａの光軸１２ａｊを含む平面内において、第１反射光１２ａの光軸１２ａｊに直交した方向に並んでいる。

次に、ステップＳ１４に示すように、第１反射光１２ａのうち第１チャンネル３９ａを通過した光の強度である第１強度を検出し、第１反射光１２ａのうち第２チャンネル３９ｂを通過した光の強度である第２強度を検出する。また、第１反射光１２ａのうち第３チャンネル３９ｃを通過した光の強度である第３強度を検出する。

次に、ステップＳ１５に示すように、第１強度、第２強度及び第３強度に基づいて、対物レンズ３４の焦点５３に対する試料５０の測定面５１の位置を測定する。これにより、測定面５１の位置を迅速に測定することができる。

次に、ステップＳ１６に示すように、強度分布を取得するとともに、試料５０の測定面５１の３次元形状を測定する。具体的には、ガルバノミラーＸ２５及びガルバノミラーＹ３１等の走査部により、試料５０の測定面５１を照明光１１で走査させる。そして、測定面５１の第１強度及び第２強度の分布を取得する。これにより、測定面５１の３次元形状を測定する。このようにして、試料５０の測定面５１の３次元形状を測定することができる。

ステップＳ１６における測定面５１の３次元形状を測定する際には、測定面５１における所定の部分の走査をスキップしてもよい。図１３（ａ）及び（ｂ）は、実施形態１に係る測定方法において、試料５０の測定面５１を例示した平面図である。

図１３（ａ）に示すように、例えば、測定面５１を、照明光１１の光軸１１ｊに直交するＸＹ平面で走査する。その場合に、図１３（ｂ）に示すように、高精度の測定が不要な所定の部分５２に対しては、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の走査をスキップしてもよい。具体的には、走査部は測定面５１における所定の部分５２の走査をスキップする。

また、ステップＳ１６における測定面５１の３次元形状を測定する際には、測定面５１を照明光１１で走査させ、測定面５１の第１強度～第３強度の分布を取得するステップと、試料５０または対物レンズ３４を照明光１１の光軸方向に間隔を空けて移動させるステップと、を複数回繰り返してもよい。具体的には、走査部によるＸＹ平面のスキャンの後に、駆動部５０ｋ等により、光軸１１ｊ方向（Ｚ軸方向）に試料５０または対物レンズ３４を、間隔を空けて移動する。移動した後で、再び、走査部によるＸＹ平面のスキャンを行う。これを複数回繰り返す。

そして、取得した複数の強度分布に基づいて、測定面５１に焦点５３が位置したときの試料５０または対物レンズ３４の位置を導出する。これにより、測定面５１の３次元形状を測定してもよい。

なお、照明光１１の光軸１１ｊ方向に間隔を空けて移動させる際に、光軸１１ｊ方向に移動させる間隔を変化させてもよい。図１４（ａ）及び（ｂ）は、実施形態１に係る測定方法において、試料５０を例示した断面図である。図１４（ａ）に示すように、光軸１１ｊ方向（Ｚ軸方向）に間隔を空けて移動させ、複数回、ＸＹ平面のスキャンを行う場合に、図１４（ｂ）に示すように、段差等の所定の部分５４の間隔を、他の部分の間隔よりも大きくしてもよい。具体的には、駆動部５０ｋ等は、照明光１１の光軸１１ｊ方向における所定の部分５４の間隔を、他の部分の間隔よりも大きくする。これにより、単調な形状で合って高精度な測定の不要な部分の測定をスキップすることができ、迅速に測定することができる。

次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態の測定装置１は、第１強度及び第２強度、または、第１強度～第３強度に基づいて、対物レンズ３４の焦点５３に対する試料５０の測定面５１の位置を測定する。よって、照明光１１の光軸１１ｊ方向に対物レンズ３４または試料５０を移動させる必要がないので、迅速に試料５０の測定面５１の位置を測定することができる。

また、照明光１１の光軸に垂直な面内（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）を照明光１１で一度走査させることにより、試料５０の測定面５１の３次元形状を測定することができる。具体的には、第１強度～第３強度の分布を取得することにより、測定面５１の３次元形状を測定することができる。よって、迅速に、測定面５１の３次元形状を測定することができる。

第１強度～第３強度は、共焦点光学系２０の瞳位置で反射光１２を分割し、分割させた反射光１２を複数のチャンネルに透過させて検出している。よって、照明光１１の光軸方向に対物レンズ３４または試料５０を移動させる必要がないので、一度の走査で、測定面５１の３次元形状を測定することができる。

さらに、高精度で測定面５１の３次元形状を得るためには、照明光１１の光軸１１ｊ方向に対物レンズ３４または試料５０を移動させてもよい。すなわち、試料５０または対物レンズ３４を照明光１１の光軸１１ｊ方向に間隔を空けて複数回移動させ、測定面５１の第１強度～第３強度の複数の分布に基づいて測定面５１の３次元形状を測定する。これにより、精度よく３次元形状を測定することができる。

平面または段差等の単調な形状であって、高精度な測定が不要な部分については、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の走査、または、Ｚ軸方向への移動を、スキップすることにより、測定に係る時間を短縮することができる。

上記のスキップする手法は、従来の測定方法の前に実施することにより、従来の測定時間の短縮にも用いることができる。すなわち、試料５０または対物レンズ３４をＺ軸方向に沿って移動させ、輝度の高い時の試料５０または対物レンズ３４の位置に基づいて３次元形状を測定する従来方法において、平面または段差等の単調な形状であって、高精度な測定が不要な部分については、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の走査、または、Ｚ軸方向への移動を、スキップすることができ、迅速に測定することができる。

また、従来方法において、低倍率の対物レンズ３４を用いた場合には、試料５０または対物レンズ３４を光軸方向に移動させた場合の輝度の変化が緩やかである。試料５０または対物レンズ３４の光軸方向の可動範囲において、輝度がほとんど変化せず、輝度の高い時の試料５０または対物レンズ３４の位置を決定することが困難である。本実施形態では、第１強度及び第２強度の差を用いて、測定面５１が対物レンズ３４の焦点５３に合った位置を決定するので、低倍率の対物レンズ３４を使用したときの高さ測定の精度を向上させることができる。

（変形例１）
次に、実施形態１の変形例１を説明する。本変形例は、ナイフエッジプリズム３６に代えて、四角錐の形状をしたプリズムを用いる。

図１５（ａ）は、実施形態１に係るナイフエッジプリズム３６を例示した斜視図であり、（ｂ）は、実施形態１の変形例１に係る四角錐のプリズム１３６を例示した斜視図である。図１５（ａ）に示すナイフエッジプリズム３６の場合には、プリズムは、第１反射面３６ａ及び第２反射面３６ｂにより構成されたナイフエッジ部３６ｅを角部として有するナイフエッジプリズムである。

図１５（ｂ）に示すように、変形例１に係る四角錐のプリズム１３６は、第１反射面３６ａ、第２反射面３６ｂの他、第３反射面３６ｃ及び第４反射面３６ｄを側面とした四角錐の形状であり、四角錐の頂点を角部として有する。各反射面で反射した各反射光を各バンドルファイバ３９に入射させる。各バンドルファイバ３９は、角部に入射した反射光の光軸及び各反射光の光軸を含む面内において、各反射光の光軸に直交した方向に並んだ複数のチャンネルを含んでいる。

試料５０の測定面５１が傾いている場合に、第１反射面３６ａ及び第２反射面３６ｂに入射する反射光１２のバランスが偏り、精度よく測定できないことが考えられる。そのような場合には、四角錐のプリズム１３６を用いることによって、第３反射面３６ｃと第４反射面３６ｄに入射する反射光１２を用いて測定面５１の形状を測定する。これにより、傾いた測定面５１を精度よく測定することができる。なお、プリズムは、ナイフエッジプリズム３６、四角錐のプリズム１３６に限らず、三角錐状、六角錐状または八角錐状のプリズムを用いてもよい。

（変形例２）
次に、実施形態１の変形例２を説明する。本変形例は、バンドルファイバ３９に含まれるチャンネルを、３本以外の本数とする。

図１６（ａ）～（ｈ）は、実施形態１の変形例２に係るバンドルファイバ及び受光素子の端面を例示した図である。図１６（ａ）に示すように、バンドルファイバ３９は、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂの他、第４チャンネル３９ｄ、第５チャンネル３９ｅ、第６チャンネル３９ｆ、第７チャンネル３９ｇが第３チャンネル３９ｃの周りを取り囲んでいる。第４チャンネル３９ｄ～第７チャンネル３９ｇのコア径、クラッド径及びジャケットの径は、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂと同様である。

図１６（ｂ）に示すように、バンドルファイバ３９は、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂの２つのチャンネルを含んでもよい。また、図１６（ｃ）に示すように、バンドルファイバ３９は、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂの他、複数のチャンネルが、第３チャンネル３９ｃの周りを取り囲んでもよい。

図１６（ｄ）に示すように、第１チャンネル３９ａ、第２チャンネル３９ｂ及び第３チャンネル３９ｃが並ぶ方向に複数のチャンネルが並んでもよい。なお、この場合のコア径、クラッド径及びジャケット径は、それぞれ、φ４０［μｍ］、φ５６［μｍ］及び６８［μｍ］でもよい。

さらに、図１６（ｅ）に示すように、第１チャンネル３９ａ、第２チャンネル３９ｂ及び第３チャンネル３９ｃと同一方向に並んだ複数のチャンネルが積み重なってもよい。また、図１６（ｆ）に示すように、積み重なった複数のチャンネルが型及び蓋により収納されてもよい。

また、図１６（ｇ）に示すように、チャンネルを介さずに受光素子４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに直接受光させてもよい。さらに、図１６（ｈ）に示すように、複数の受光素子が受光素子４０ｃの周りを取り囲んでもよい。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係る測定装置を説明する。実施形態２は、フォーカス検出手段が実施形態１と異なっている。実施形態２のフォーカス検出手段は、光てこ方式である。

図１７は、実施形態２に係る測定装置を例示した構成図である。図１７に示すように、測定装置２は、光源１０、共焦点光学系２０及び測定処理部４１を備えており、共焦点光学系２０は、アナモルフィックプリズム２１、ビームエキスバンダ２２、偏光ビームスプリッタ２３、ミラー２４、ガルバノミラーＸ２５、レンズ２６～２９、ガルバノミラーＹ３１、λ／４板３２、ダイクロイックミラー３３、対物レンズ３４、可変焦点レンズ３５、ファイバ３７、受光素子４０、駆動部３４ｋ（５０ｋ）、半導体レーザＬＤ、ビームスプリッタ４５、レンズ４６、２分割センサ４７を含んでいる。

光源１０より出射した照明光１１がアナモルフィックプリズム２１から対物レンズ３４を経て測定面５１まで導かれる光路、及び、測定面５１で反射した反射光１２が対物レンズ３４から可変焦点レンズ３５まで導かれる光路は、実施形態１と同様である。本実施形態では、可変焦点レンズ３５を透過した反射光１２は、ファイバ３７に入射し受光素子４０により検出される。

一方、半導体レーザＬＤを出射したレーザ光は、ミラー２４とガルバノミラーＸ２５との間に配置されたビームスプリッタ４５で反射する。ビームスプリッタ４５で反射したレーザ光は、ガルバノミラーＸ２５、レンズ２６、レンズ２７、ガルバノミラーＹ３１、レンズ２８、レンズ２９、λ／４板３２、ダイクロイックミラー３３を経て、対物レンズ３４の瞳の端に入射し、対物レンズ３４で集光され、試料５０の測定面５１に入射する。ガルバノミラーＸ２５及びＹ３１によって、測定面５１をＸＹ方向にレーザ光でスキャンさせる。測定面５１に入射したレーザ光は、測定面５１で反射する。

測定面５１で反射したレーザ光は、対物レンズ３４の瞳の端に入射し、対物レンズ３４で集光される。対物レンズ３４で集光されたレーザ光は、ビームスプリッタ４５まで逆の光路をたどる。ビームスプリッタ４５で反射したレーザ光は、レンズ４６で集光され、２分割センサ４７に入射する。

本実施形態の共焦点光学系２０は、測定面５１に対する対物レンズ３４の焦点５３の位置を検出するフォーカス検出手段を備えている。フォーカス検出手段は、例えば、光てこ方式である。そして、測定処理部４１は、フォーカス検出手段により検出した対物レンズ３４の焦点５３に基づいて、測定面５１の位置を測定する。また、走査部が試料面５１をレーザ光で走査させることにより、測定処理部４１は、測定面５１の３次元形状を測定する。

本実施形態によれば、測定面５１をレーザ光で１度走査することにより、対物レンズ３４の焦点５３に対する測定面５１の位置を測定することができる。よって、迅速に３次元形状を測定することができる。実施形態２におけるその他の構成及び効果は実施形態１の記載に含まれている。

（実施形態３）
次に、実施形態３に係る測定装置を説明する。実施形態３のフォーカス検出手段は、位置検出素子（ＰＳＤ）である。

図１８は、実施形態３に係る測定装置を例示した構成図である。図１８に示すように、測定装置３は、光源１０、共焦点光学系２０及び測定処理部４１を備えており、共焦点光学系２０は、アナモルフィックプリズム２１、ビームエキスバンダ２２、偏光ビームスプリッタ２３、ミラー２４、ガルバノミラーＸ２５、レンズ２６～２９、ガルバノミラーＹ３１、λ／４板３２、ダイクロイックミラー３３、対物レンズ３４、可変焦点レンズ３５、ファイバ３７、受光素子４０、駆動部３４ｋ（５０ｋ）、半導体レーザＬＤ、ビームスプリッタ４５、位置検出素子ＰＳＤを含んでいる。

光源１０より出射した照明光１１がアナモルフィックプリズム２１から対物レンズ３４を経て試料面５１まで導かれる光路、及び、測定面５１で反射した反射光１２が対物レンズ３４からファイバ３７まで導かれる光路は、実施形態２と同様である。

また、半導体レーザＬＤを出射したレーザ光が、ビームスプリッタ４５から対物レンズ３４を経て試料面５１まで導かれる光路、及び、測定面５１で反射したレーザ光が対物レンズ３４からビームスプリッタ４５まで戻る光路は、実施形態２と同様である。ビームスプリッタ４５で反射したレーザ光は、位置検出素子ＰＳＤに入射する。

本実施形態の共焦点光学系２０は、測定面５１に対する対物レンズ３４の焦点５３の位置を検出するフォーカス検出手段を備えている。フォーカス検出手段は、例えば、位置検出素子ＰＳＤである。そして、測定処理部４１は、フォーカス検出手段により検出した対物レンズ３４の焦点５３に基づいて、測定面５１の位置を測定する。また、走査部が試料面５１をレーザ光で走査させることにより、測定処理部４１は、測定面５１の３次元形状を測定する。

本実施形態によれば、測定面５１をレーザ光で１度走査することにより、対物レンズ３４の焦点５３に対する測定面５１の位置を測定することができる。よって、迅速に３次元形状を測定することができる。実施形態３におけるその他の構成及び効果は実施形態１及び２の記載に含まれている。

（実施形態４）
次に、実施形態４に係る測定装置を説明する。実施形態４のフォーカス検出手段は、前ピン後ピン方式である。

図１９は、実施形態４に係る測定装置を例示した構成図である。図１９に示すように、測定装置４は、光源１０、共焦点光学系２０及び測定処理部４１を備えており、共焦点光学系２０は、アナモルフィックプリズム２１、ビームエキスバンダ２２、偏光ビームスプリッタ２３、ミラー２４、ガルバノミラーＸ２５、レンズ２６～２９、ガルバノミラーＹ３１、λ／４板３２、ダイクロイックミラー３３、対物レンズ３４、ファイバ３７ａ～３７ｃ、受光素子４０、駆動部３４ｋ（５０ｋ）、ビームスプリッタ４８ａ～４８ｂ、ミラー４９、レンズ４６ａ～４６ｃを含んでいる。

光源１０より出射した照明光１１がアナモルフィックプリズム２１から対物レンズ３４を経て試料面５１まで導かれる光路、及び、測定面５１で反射した反射光１２が対物レンズ３４から偏光ビームスプリッタ２３まで導かれる光路は、実施形態１と同様である。本実施形態では、偏光ビームスプリッタ２３で反射した反射光１２は、ビームスプリッタ４８ａに入射する。ビームスプリッタ４８ａを透過した反射光１２は、レンズ４６ａ及びファイバ３７ａを透過して受光素子４０により検出される。

また、ビームスプリッタ４８ａで反射した反射光１２は、ビームスプリッタ４８ｂに入射する。ビームスプリッタ４８ｂで反射した反射光１２は、レンズ４６ｂ及びファイバ３７ｂを透過して受光素子４０により検出される。さらに、ビームスプリッタ４８ｂを透過した反射光１２は、ミラー４９に入射する。ミラー４９で反射した反射光１２は、レンズ４６ｃ及びファイバ３７ｃを透過して受光素子４０により検出される。

本実施形態の共焦点光学系２０は、測定面５１に対する対物レンズ３４の焦点５３の位置を検出するフォーカス検出手段を備えている。フォーカス検出手段は、例えば、前ピン後ピン方式である。そして、測定処理部４１は、フォーカス検出手段により検出した対物レンズ３４の焦点５３に基づいて、測定面５１の位置を測定する。また、走査部が試料面５１をレーザ光で走査させることにより、測定処理部４１は、測定面５１の３次元形状を測定する。

本実施形態によれば、測定面５１を照明光１１で１度走査することにより、対物レンズ３４の焦点５３に対する測定面５１の位置を測定することができる。よって、迅速に３次元形状を測定することができる。実施形態４におけるその他の構成及び効果は実施形態１～３の記載に含まれている。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。

１、２、３、４ 測定装置
１０ 光源
１１ 照明光
１１ｊ 光軸
１２ 反射光
１２ｊ 光軸
１２ａ 第１反射光
１２ａｊ 光軸
１２ｂ 第２反射光
２０ 共焦点光学系
２１ アナモルフィックプリズム
２２ ビームエキスバンダ
２３ 偏光ビームスプリッタ
２４ ミラー
２５ ガルバノミラーＸ
２６、２７、２８、２９ レンズ
３１ ガルバノミラーＹ
３２ λ／４板
３３ ダイクロイックミラー
３４ 対物レンズ
３４ｋ 駆動部
３５ 可変焦点レンズ
３６ ナイフエッジプリズム
３６ａ 第１反射面
３６ｂ 第２反射面
３６ｃ 第３反射面
３６ｄ 第４反射面
３６ｅ ナイフエッジ部
３７、３７ａ、３７ｂ、３７ｃ ファイバ
３９ バンドルファイバ
３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ、３９ｅ、３９ｆ、３９ｇ チャンネル
４０、４０ａ、４０ｂ 受光素子
４１ 測定処理部
４５ ビームスプリッタ
４６、４６ａ、４６ｂ、４６ｃ レンズ
４７ ２分割センサ
４８ａ、４８ｂ ビームスプリッタ
４９ ミラー
５０ 試料
５０ｋ 駆動部
５１ 測定面
５２ 所定の部分
５３ 焦点
５４ 所定の部分
１３６ プリズム

Claims (18)

1. 共焦点光学系を用いた測定方法であって、
   試料の測定面を照明する照明光が前記測定面で反射した反射光を対物レンズにより集光するステップと、
   前記対物レンズにより集光した前記反射光を、プリズムの第１反射面及び第２反射面を含む角部に入射させ、前記反射光を分割するステップと、
   分割された前記反射光のうち前記第１反射面で反射した第１反射光を、前記角部に入射した前記反射光の光軸及び前記第１反射光の光軸を含む平面内において、前記第１反射光の光軸に直交した方向に並んだ第１チャンネル及び第２チャンネルを含むバンドルファイバに入射させるステップと、
   前記第１反射光のうち前記第１チャンネルを透過した光の第１強度及び前記第１反射光のうち前記第２チャンネルを透過した光の第２強度を検出するステップと、
   前記第１強度が前記第２強度よりも大きいか、小さいか、同じかに基づいて、前記対物レンズの焦点に対する前記測定面の位置を測定するステップと、
   を備えた測定方法。
2. 前記測定面を前記照明光で走査させ、前記測定面の前記第１強度及び前記第２強度の分布を取得することにより、前記測定面の３次元形状を測定するステップをさらに備えた、
   請求項１に記載の測定方法。
3. 前記測定面の３次元形状を測定するステップにおいて、
   前記測定面における所定の部分の走査をスキップする、
   請求項２に記載の測定方法。
4. 前記測定面の３次元形状を測定するステップは、
   前記測定面を前記照明光で走査させ、前記測定面の前記第１強度及び前記第２強度の前記分布を取得するステップと、
   前記試料または前記対物レンズを前記照明光の光軸方向に間隔を空けて移動させるステップと、
   を複数回繰り返し、取得した複数の前記分布に基づいて、前記測定面に前記焦点が位置したときの前記試料または前記対物レンズの位置を導出し、前記測定面の３次元形状を測定する、
   請求項２または３に記載の測定方法。
5. 前記照明光の光軸方向に間隔を空けて移動させるステップにおいて、
   前記照明光の光軸方向における所定の部分の前記間隔を、他の部分の前記間隔よりも大きくする、
   請求項４に記載の測定方法。
6. 前記プリズムは、前記第１反射面及び前記第２反射面により構成されたナイフエッジ部を前記角部として有するナイフエッジプリズムであり、
   前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルは、前記第１反射光の光軸、及び、前記ナイフエッジ部の延在方向、に直交する方向に並ぶ、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の測定方法。
7. 前記プリズムは、前記第１反射面、前記第２反射面の他、第３反射面及び第４反射面を側面とした四角錐の形状であり、前記四角錐の頂点を角部として有する、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の測定方法。
8. 前記バンドルファイバは、前記第１チャンネルと前記第２チャンネルとの間に配置された第３チャンネルをさらに含む、
   請求項１～７のいずれか一項に記載の測定方法。
9. 前記バンドルファイバは、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルの他、少なくとも第４チャンエル、第５チャンネル、第６チャンネル、第７チャンネルが前記第３チャンネルの周りを取り囲む、
   請求項８に記載の測定方法。
10. 共焦点光学系と、測定処理部と、を備えた測定装置であって、
    前記共焦点光学系は、
    試料の測定面を照明する照明光が前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、
    第１反射面及び第２反射面を含む角部を有し、前記角部に入射した前記反射光を分割するプリズムと、
    分割された前記反射光のうち前記第１反射面で反射した第１反射光が入射するバンドルファイバであって、前記角部に入射した前記反射光の光軸及び前記第１反射光の光軸を含む平面内において、前記第１反射光の光軸に直交した方向に並んだ第１チャンネル及び第２チャンネルを含む前記バンドルファイバと、
    前記第１反射光のうち前記第１チャンネルを透過した光の第１強度及び前記第１反射光のうち前記第２チャンネルを透過した光の第２強度を検出する受光素子と、
    を含み、
    前記測定処理部は、前記第１強度が前記第２強度よりも大きいか、小さいか、同じかに基づいて、前記対物レンズの焦点に対する前記測定面の位置を測定する測定装置。
11. 前記測定面を前記照明光で走査させる走査部をさらに備え、
    前記測定処理部は、前記測定面を前記照明光で走査させた場合の前記測定面の前記第１強度及び前記第２強度の分布を取得することにより、前記測定面の３次元形状を測定する、
    請求項１０に記載の測定装置。
12. 前記走査部は、前記測定面における所定の部分の走査をスキップする、
    請求項１１に記載の測定装置。
13. 前記試料または前記対物レンズを前記照明光の光軸方向に間隔を空けて複数回移動させる駆動部をさらに備え、
    前記測定処理部は、前記試料または前記対物レンズを移動させる度に、前記測定面を前記照明光で走査させた場合の前記分布を取得し、
    前記測定処理部は、複数の前記分布に基づいて、前記測定面に前記焦点が位置したときの前記試料または前記対物レンズの位置を導出し、前記測定面の３次元形状を測定する、
    請求項１１または１２に記載の測定装置。
14. 前記駆動部は、前記照明光の光軸方向における所定の部分の前記間隔を、他の部分の前記間隔よりも大きくする、
    請求項１３に記載の測定装置。
15. 前記プリズムは、前記第１反射面及び第２反射面により構成されたナイフエッジ部を前記角部として有するナイフエッジプリズムであり、
    前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルは、前記第１反射光の光軸、及び、前記ナイフエッジ部の延在方向、に直交する方向に並ぶ、
    請求項１０～１４のいずれか一項に記載の測定装置。
16. 前記プリズムは、前記第１反射面、前記第２反射面の他、第３反射面及び第４反射面を側面とした四角錐の形状であり、前記四角錐の頂点を角部として有する、
    請求項１０～１４のいずれか一項に記載の測定装置。
17. 前記バンドルファイバは、前記第１チャンネルと前記第２チャンネルとの間に配置された第３チャンネルをさらに含む、
    請求項１０～１６のいずれか一項に記載の測定装置。
18. 前記バンドルファイバは、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルの他、少なくとも第４チャンエル、第５チャンネル、第６チャンネル、第７チャンネルが前記第３チャンネルの周りを取り囲む、
    請求項１７に記載の測定装置。

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