JPH05332735A - Three-dimensional form measuring device, and measuring method of three-dimensional form using same - Google Patents

Three-dimensional form measuring device, and measuring method of three-dimensional form using same

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JPH05332735A
JPH05332735A JP16422792A JP16422792A JPH05332735A JP H05332735 A JPH05332735 A JP H05332735A JP 16422792 A JP16422792 A JP 16422792A JP 16422792 A JP16422792 A JP 16422792A JP H05332735 A JPH05332735 A JP H05332735A
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JP
Japan
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measured
light
objective lens
dimensional shape
optical system
Prior art date
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Pending
Application number
JP16422792A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kyoichi Miyazaki
恭一 宮崎
Shigeyuki Suda
繁幸 須田
Minoru Yoshii
実 吉井
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Priority to JP16422792A priority Critical patent/JPH05332735A/en
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

PURPOSE:To perform a highly precise measurement of three-dimensional form by correcting the focusing information obtained by a focusing state judging optical system by the error information by the divergence of an objective lens in the position from optical axis where the reflected light from a material to be measured is entered to the objective lens. CONSTITUTION:Since the focusing information has the influence by the aberration of an objective lens 306, the position where a luminous flux is entered to the lens 306 is determined by an inclination optical system 162, and the focusing information is corrected by the aberration quantity. Specifically, the positions D, E in which reflected lights 172, 173 are transmitted by the lens 306 are determined from the imaging positions D', E' of a spot image on a sensor 111. The lens 306 has the aberration and thus a focusing slippage in the distance L to the surface 331a of a material 331 to be measured. Therefore, in the state where no correction is conducted, automatic focusing is conducted with the information from a focusing state judging optical system 361. Thus, the luminous flux incident position to the lens 306 is determined by use of the detection data of the inclination optical system 162, and the focusing information is corrected according to the aberration and the accompanying focusing slippage quantity.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は３次元形状測定装置及び
それを用いた３次元形状測定方法に関し、特に非接触に
て高速に又高精度に被測定物の３次元形状測定を行ない
得るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus and a three-dimensional shape measuring method using the same, and in particular, it is capable of non-contact, high-speed and highly accurate three-dimensional shape measurement of an object to be measured. Is.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来より被測定物体の形状、例えば３次
元形状を非接触にて測定する方法は種々と提案されてい
る。例えばコヒーレント光を利用した干渉計測法やスリ
ット光による光切断法等がある。2. Description of the Related Art Conventionally, various methods have been proposed for measuring a shape of an object to be measured, for example, a three-dimensional shape without contact. For example, there are an interferometry method using coherent light and a light cutting method using slit light.

【０００３】しかしながら干渉計測法は被測定物の表面
全体を同時に高精度に測定することができるという利点
を有する反面、被測定物表面の凹凸が光の波長に対して
かなり大きい場合には測定が困難になるという欠点があ
った。又光切断法は光の波長程度の凹凸の測定は困難で
あるという欠点があった。However, while the interferometric method has the advantage that the entire surface of the object to be measured can be simultaneously measured with high accuracy, on the other hand, when the unevenness on the surface of the object to be measured is considerably large with respect to the wavelength of light, the measurement is performed. It had the drawback of becoming difficult. Further, the light-section method has a drawback that it is difficult to measure irregularities having a wavelength of light.

【０００４】これに対して特開昭６１−１７９０７号公
報では内部光源を有する合焦状態判別光学系を移動台上
に載置し、この光学系を被測定物表面上に合焦させるよ
うに移動台を動かし、その移動量から３次元形状を測定
し、又それと同時に被測定物表面の微細なうねり（凹
凸）をより正確に表現するために傾斜角をも測定する方
式を利用した３次元形状測定装置を提案している。On the other hand, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-17907, an in-focus state determination optical system having an internal light source is placed on a movable table, and this optical system is focused on the surface of an object to be measured. 3D using the method of moving the moving table, measuring the 3D shape from the amount of movement, and at the same time measuring the tilt angle in order to more accurately express the fine waviness (unevenness) on the surface of the measured object. A shape measuring device is proposed.

【０００５】図１９は同公報で提案されている３次元形
状測定装置の要部概略図である。FIG. 19 is a schematic view of a main part of the three-dimensional shape measuring apparatus proposed in the publication.

【０００６】図中３６１は合焦状態判別光学系であり、
３６２は傾斜角測定光学系である。これらの各光学系３
６１及び３６２はケーシング３２１に組み込まれてい
る。合焦状態判別光学系３６１は光源３０１、コリメー
ターレンズ３０２、偏光ビームスプリッター３０３、ハ
ーフミラー３０４、１／４波長板３０５、対物レンズ３
０６、センサーレンズ３０７、そして光学的バンドパス
フィルター３０９を有している。In the figure, reference numeral 361 denotes an in-focus state determination optical system,
Reference numeral 362 is a tilt angle measuring optical system. Each of these optical systems 3
61 and 362 are incorporated in the casing 321. The focusing state determination optical system 361 includes a light source 301, a collimator lens 302, a polarization beam splitter 303, a half mirror 304, a quarter wavelength plate 305, and an objective lens 3.
06, a sensor lens 307, and an optical bandpass filter 309.

【０００７】傾斜角測定光学系３６２は光源３１１、レ
ンズ３１２、偏光ビームスプリッター３１３、センサー
３１４、そして光学的バンドパスフィルター３１５を有
している。ハーフミラー３０４、１／４波長板３０５、
そして対物レンズ３０６は合焦状態判別光学系３６１と
傾斜角測定光学系３６２で共有している。The tilt angle measuring optical system 362 has a light source 311, a lens 312, a polarization beam splitter 313, a sensor 314, and an optical bandpass filter 315. Half mirror 304, quarter wave plate 305,
The objective lens 306 is shared by the focus state determination optical system 361 and the tilt angle measurement optical system 362.

【０００８】ケーシング３２１は外部に固設されたアク
チュエーター３４１に接続されている。これを駆動させ
ることにより、ケーシング３２１は対物レンズ３０６の
光軸Ｘに沿って移動している。The casing 321 is connected to an actuator 341 fixed to the outside. By driving this, the casing 321 moves along the optical axis X of the objective lens 306.

【０００９】ケーシング３２１には又その移動量を測定
するための測長手段３５０が付設されている。測長手段
３５０としては例えば格子干渉測長方式によるものが用
いられ、この場合、図１９における３５１はケーシング
３２１に固定された基準格子であり、３５２は外部に固
設された格子ピッチ読み取り装置である。３３１は形状
を測定されるべき被測定物である。The casing 321 is also provided with a length measuring means 350 for measuring the amount of movement thereof. As the length measuring means 350, for example, one based on the grating interference length measuring method is used. In this case, 351 in FIG. 19 is a reference grating fixed to the casing 321, and 352 is a grating pitch reading device fixed to the outside. is there. Reference numeral 331 is an object to be measured whose shape is to be measured.

【００１０】次に３次元形状測定装置における合焦状態
判別光学系３６１の被測定物に対する合焦状態判別法に
つき説明する。Next, a method of determining the focus state of the object to be measured by the focus state determination optical system 361 in the three-dimensional shape measuring apparatus will be described.

【００１１】光源３０１から発せられた光束はコリメー
ターレンズ３０２により平行光束３７１とされる。そし
て偏光ビームスプリッター３０３を透過した直線偏光の
光束はハーフミラー３０４により反射されて、１／４波
長板３０５を透過し、円偏光となり対物レンズ３０６に
入射する。このように対物レンズ３０６により収束され
た光は被測定物３３１の表面上にスポット像を結ぶ。The light beam emitted from the light source 301 is converted into a parallel light beam 371 by the collimator lens 302. Then, the linearly polarized light beam that has passed through the polarization beam splitter 303 is reflected by the half mirror 304, passes through the quarter-wave plate 305, becomes circularly polarized light, and enters the objective lens 306. The light thus converged by the objective lens 306 forms a spot image on the surface of the DUT 331.

【００１２】このスポット像から反射された光は再び対
物レンズ３０６を透過し、１／４波長板３０５を経て直
線偏光とし、ハーフミラー３０４により反射され、今度
は偏光ビームスプリッター３０３により反射され、バン
ドパスフィルター３０９及びセンサーレンズ３０７を透
過した後に、センサー３０８に到達する。The light reflected from this spot image passes through the objective lens 306 again, passes through the quarter-wave plate 305 to be linearly polarized light, is reflected by the half mirror 304, and this time is reflected by the polarization beam splitter 303, and then is converted into a band. After passing through the pass filter 309 and the sensor lens 307, the sensor reaches the sensor 308.

【００１３】このとき被測定物３３１の表面と対物レン
ズ３０６との距離によりセンサー３０８に到達する光の
集光状態に差が生ずる。At this time, depending on the distance between the surface of the object to be measured 331 and the objective lens 306, a difference occurs in the condensed state of the light reaching the sensor 308.

【００１４】即ち、図２０（Ａ）に示されるように被測
定物３３１の表面がちょうど対物レンズ３０６の焦点位
置（図中のイの位置）に存在する場合には、被測定物３
３１の表面におけるスポット像はちょうど光軸Ｘ上にそ
の中心が位置するため、図２０（Ｂ）に示すように反射
光はセンサー３０８において光軸Ｙ上に中心をもって入
射する。That is, as shown in FIG. 20A, when the surface of the object to be measured 331 is exactly at the focal position of the objective lens 306 (the position of a in the drawing), the object to be measured 3 is measured.
Since the center of the spot image on the surface of 31 is located exactly on the optical axis X, the reflected light is incident on the optical axis Y at the center of the sensor 308 as shown in FIG.

【００１５】又、図２０（Ａ）に示すように被測定物３
３１の表面が対物レンズ３０６の焦点位置よりも遠くに
位置する場合（図中のロの位置）にはスポット像は光軸
ＸからずれてＡゾーン内に中心をもって位置するため、
その反射光は図２０（Ｂ）に示すようにセンサー３０８
において光軸ＹからずれたＡ’ゾーンに中心をもって入
射する。Further, as shown in FIG.
When the surface of 31 is located farther than the focal position of the objective lens 306 (position B in the figure), the spot image is deviated from the optical axis X and is centered in the zone A.
The reflected light is reflected by the sensor 308 as shown in FIG.
At, the light enters with a center in the A'zone deviated from the optical axis Y.

【００１６】一方、図２０（Ａ）に示すように被測定物
３３１の表面が対物レンズ３０６の焦点位置よりも近く
に位置する場合（図中のハの位置）には、上記とは逆の
理由で図２０（Ｂ）に示すようにセンサー３０８におい
てＢ’ゾーンに中心をもって入射する。On the other hand, when the surface of the object to be measured 331 is located closer than the focal position of the objective lens 306 (position C in the figure) as shown in FIG. For the reason, as shown in FIG. 20B, the light is incident on the B ′ zone with the center in the sensor 308.

【００１７】センサー３０８としてはＣＣＤ（Charge C
oupled Device ）等のアレイセンサーが用いられる。セ
ンサー３０８においてＡ’ゾーンにおける全センサーセ
グメントの出力の和をＩＡ’とし、Ｂゾーンにおける全
センサーセグメントの出力の和をＩＢ’とすると、光学
系３６１の被測定物３３１に対する合焦状態に応じて 差信号ΔＩ ΔＩ＝ＩＡ’−ＩＢ’ が変化する。As the sensor 308, a CCD (Charge C
An array sensor such as an oupled device) is used. In the sensor 308, if the sum of the outputs of all the sensor segments in the A'zone is IA 'and the sum of the outputs of all the sensor segments in the B zone is IB', then the optical system 361 is in focus according to the in-focus state with respect to the DUT 331. The difference signal ΔI ΔI = IA′−IB ′ changes.

【００１８】その関係を図３に示す。この図からわかる
ように完全に合焦状態である場合（上記イの状態）の近
傍において差信号ΔＩはほぼリニアに変化する。この特
性を利用することにより、光学系３６１が前ピント外れ
状態であるか、完全合焦状態であるか、後ピント外れ状
態であるかが判別できる。このフォーカシング（合焦状
態）エラー判別法はいわゆるビーム偏心法と呼ばれてい
るものである。The relationship is shown in FIG. As can be seen from this figure, the difference signal ΔI changes almost linearly in the vicinity of the completely focused state (state of the above-mentioned a). By utilizing this characteristic, it is possible to determine whether the optical system 361 is in the front out-of-focus state, the perfect focus state, or the rear-out-of-focus state. This focusing (focusing state) error determination method is a so-called beam eccentricity method.

【００１９】従って、この差信号ΔＩを０にするように
アクチュエーター３４１をサーボ駆動させることによ
り、自動フォーカシング（ＡＦ）が実現できる。この際
のケーシング３２１の移動量を測長手段３５０で測定す
ることにより被測定物３３１の表面の光軸Ｘと交わる部
分の位置が測定される。この位置測定を被測定物３３１
の表面全体について行なうことによりその３次元形状が
測定できる。Therefore, automatic focusing (AF) can be realized by servo-driving the actuator 341 so that the difference signal ΔI becomes zero. By measuring the amount of movement of the casing 321 at this time by the length measuring means 350, the position of the portion of the surface of the measured object 331 that intersects the optical axis X is measured. This position measurement is performed on the measured object 331.
The three-dimensional shape can be measured by performing on the entire surface of.

【００２０】次に傾斜角測定光学系３６２による被測定
物の面の傾きを測定する傾斜角測定法について説明す
る。Next, a tilt angle measuring method for measuring the tilt of the surface of the object to be measured by the tilt angle measuring optical system 362 will be described.

【００２１】光源３１１から発せられた光はレンズ３１
２を透過した後、平行光束となって偏光ビームスプリッ
ター３１３に入射して反射される。そして反射された直
線偏光の光束をハーフミラー３０４及び１／４波長板３
０５を透過して、円偏光として対物レンズ３０６により
収束する。尚、この光学系３６２においては対物レンズ
３０６に入射する光束が光軸Ｘ上に中心を有し、かつ光
軸Ｘに平行に入射するようになっている。The light emitted from the light source 311 is the lens 31.
After passing through 2, the light beam becomes a parallel light beam, is incident on the polarization beam splitter 313, and is reflected. The reflected linearly polarized light beam is reflected by the half mirror 304 and the quarter-wave plate 3
After passing through 05, it is converged by the objective lens 306 as circularly polarized light. In this optical system 362, the light beam incident on the objective lens 306 has a center on the optical axis X and is incident parallel to the optical axis X.

【００２２】このようにして対物レンズ３０６により収
束された光は被測定物３３１の表面上においてＸ軸上に
中心を有するスポット像を結ぶ。被測定物３３１から反
射された光束は再び対物レンズ３０６を透過し、１／４
波長板３０５、ハーフミラー３０４、偏光ビームスプリ
ッター３１３及び光学的バンドパスフィルター３１５を
透過した後、センサー３１４に到達する。The light thus converged by the objective lens 306 forms a spot image centered on the X axis on the surface of the object 331 to be measured. The light flux reflected from the DUT 331 passes through the objective lens 306 again,
After passing through the wave plate 305, the half mirror 304, the polarization beam splitter 313, and the optical bandpass filter 315, the light reaches the sensor 314.

【００２３】このとき被測定物３３１の光の入射表面の
傾斜角によりセンサー３１４に到達する光の位置に差が
生ずる。即ち、図５に示されるように被測定物３３１の
光束の入射表面が光軸Ｘ上の位置において光軸Ｘと垂直
の面に対し角度αだけ傾いているとすると、スポット像
からの反射光束は光軸Ｘに対し角度２αをなす方向に中
心を有して対物レンズ３０６に入射する。At this time, there is a difference in the position of the light reaching the sensor 314 due to the inclination angle of the light incident surface of the object to be measured 331. That is, as shown in FIG. 5, assuming that the incident surface of the light flux of the object to be measured 331 is inclined at the position on the optical axis X with respect to the plane perpendicular to the optical axis X by an angle α, the reflected light flux from the spot image. Enters the objective lens 306 with its center in the direction forming an angle 2α with respect to the optical axis X.

【００２４】このようにして対物レンズ３０６に入射し
た光束は光軸Ｘと平行に進行し、その光束中心は光軸Ｘ
からずれ量をｈとしたとき ｈ＝ｆ sin２α （ｆ：対物レンズ３０６の焦点距
離） だけ隔てられている。The light beam thus entering the objective lens 306 travels parallel to the optical axis X, and the center of the light beam is the optical axis X.
When the amount of deviation is h, they are separated by h = f sin2α (f: focal length of the objective lens 306).

【００２５】センサー３１４としては光束の重心位置検
知センサー、いわゆるポジショニングセンサー等が用い
られ、上記の光軸Ｘからのずれ量ｈを測定することによ
って角度αを求めている。A sensor for detecting the position of the center of gravity of the light beam, a so-called positioning sensor, or the like is used as the sensor 314, and the angle α is obtained by measuring the deviation amount h from the optical axis X.

【００２６】以上の説明からわかるように傾斜角測定に
おいては被測定物３３１の表面が対物レンズ３０６の焦
点位置にあることが必要であるが、上記光学系３６１と
アクチュエーター３４１との作用により常に合焦状態に
なっているのでこの条件は常に満たされている。As can be seen from the above description, the surface of the object to be measured 331 needs to be at the focal position of the objective lens 306 in the tilt angle measurement. This condition is always satisfied because it is in a focal state.

【００２７】又、合焦状態判別光学系３６１と傾斜角測
定光学系３６２とは構成上一部共通部分を有するので、
各光学系において用いる光源の波長帯域を異ならせた
り、偏光状態を異ならせたりしてクロストークが生じな
いようにしている。このため、バンドパスフィルター３
０９及び３１５、更には偏光ビームスプリッター３０３
及び３１３及び１／４波長板３０５が用いられている。Further, since the focusing state determination optical system 361 and the tilt angle measuring optical system 362 have some common parts in the configuration,
The wavelength band of the light source used in each optical system is made different and the polarization state is made different so as to prevent crosstalk. Therefore, the bandpass filter 3
09 and 315, and further the polarization beam splitter 303
And 313 and quarter wave plate 305 are used.

【００２８】図１９にはこのときの３次元形状測定装置
の信号（ＤＡＴＡ）の流れを示している。上記のとお
り、この３次元形状測定装置は位置検出機構で被測定物
の形状を３次元で測定すると同時に傾斜角検出機構で被
測定物の表面の傾斜角をも測定できることが大きな特徴
となっている。FIG. 19 shows the flow of the signal (DATA) of the three-dimensional shape measuring apparatus at this time. As described above, this three-dimensional shape measuring device is characterized in that the position detecting mechanism can measure the shape of the measured object three-dimensionally, and at the same time, the inclination angle detecting mechanism can measure the inclination angle of the surface of the measured object. There is.

【００２９】[0029]

【発明が解決しようとする課題】合焦状態判別光学系３
６１において、被測定物３３１の表面への自動合焦状態
を維持し続けるためには、被測定物３３１からの反射光
３７２及び３７３がセンサーレンズ３０７を透過した
後、センサー３０８のＹ軸上にスポット像を結ぶように
アクチュエーター３４１を作動させる必要がある。この
ときの反射光３７２および３７３はＹ軸に平行であるこ
とが必要である。これは言い換えれば反射光３７２およ
び３７３が対物レンズ３０６を透過した後、Ｘ軸に平行
になるようにアクチュエーター３４１を作動させる必要
がある。In-focus state determination optical system 3
At 61, in order to keep the state of automatic focusing on the surface of the DUT 331, the reflected lights 372 and 373 from the DUT 331 pass through the sensor lens 307, and then on the Y axis of the sensor 308. It is necessary to operate the actuator 341 so as to form a spot image. The reflected lights 372 and 373 at this time must be parallel to the Y axis. In other words, it is necessary to operate the actuator 341 so that the reflected lights 372 and 373 pass through the objective lens 306 and then become parallel to the X axis.

【００３０】被測定物３３１の表面の傾斜角が変化する
と図１９に示す反射光３７２及び３７３が対物レンズ３
０６に入射する位置が異なってくる。このとき対物レン
ズ３０６に球面収差が残っている場合、図２１（Ａ）に
示すように反射光３７２及び３７３が対物レンズ３０６
を透過した後、Ｘ軸に平行にならない。When the inclination angle of the surface of the object to be measured 331 changes, the reflected lights 372 and 373 shown in FIG.
The position of incidence on 06 is different. At this time, when the spherical aberration remains in the objective lens 306, the reflected lights 372 and 373 are reflected by the objective lens 306 as shown in FIG.
After passing through, it is not parallel to the X axis.

【００３１】このとき図２１（Ｂ）に示すようにセンサ
ー３０８のＹ軸上にスポット像を結ぶように、つまり通
常の合焦動作では対物レンズ３０６を透過した後の反射
光３７２及び３７３の各々がＸ軸上に平行になるように
アクチュエーター３４１を作動させる。この為対物レン
ズ３０６と被測定物３３１の距離が一定に保たれなくな
り、これが３次元形状を測定する上で誤差となってく
る。At this time, as shown in FIG. 21B, each of the reflected lights 372 and 373 after passing through the objective lens 306 so as to form a spot image on the Y axis of the sensor 308, that is, in a normal focusing operation. The actuator 341 is operated so that is parallel to the X axis. Therefore, the distance between the objective lens 306 and the object to be measured 331 cannot be kept constant, which causes an error in measuring the three-dimensional shape.

【００３２】即ち、対物レンズの球面収差に近い値の計
測精度となり、通常のレンズ製作上の精度から傾斜角の
大きい被測定物に対しては例えば０．１μｍ程度以下の
精度で３次元形状の測定をすることが難しくなってく
る。That is, the measurement accuracy becomes a value close to the spherical aberration of the objective lens, and for an object to be measured having a large inclination angle from a normal lens manufacturing accuracy, for example, the accuracy of the three-dimensional shape is about 0.1 μm or less. It becomes difficult to measure.

【００３３】本発明は傾斜角測定光学系により被測定物
からの反射光が対物レンズに入射する光軸からの位置の
情報を得て、その位置での対物レンズの収差による誤差
情報で合焦状態判別光学系によって得られた合焦情報を
補正することにより３次元形状を高精度に測定すること
ができる３次元形状測定装置の提供を目的とする。According to the present invention, the tilt angle measuring optical system obtains information on the position from the optical axis at which the reflected light from the object to be measured enters the objective lens, and the error information due to the aberration of the objective lens at that position is used for focusing. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional shape measuring apparatus capable of measuring a three-dimensional shape with high accuracy by correcting the focus information obtained by the state determination optical system.

【００３４】この他、本発明は光プローブ内の傾斜角測
定光学系により光プローブ内の対物レンズと被測定物と
の相対角度を検出し、該検出信号に基づいて光プローブ
を回転させ前記相対角度を０にしてから対物レンズの球
面収差の影響を受けない状態で被測定物の３次元形状を
測定することにより３次元形状を高精度に測定すること
ができる３次元形状測定方法の提供を目的とする。In addition, according to the present invention, the relative angle between the objective lens in the optical probe and the object to be measured is detected by the tilt angle measuring optical system in the optical probe, and the optical probe is rotated based on the detection signal to detect the relative angle. To provide a three-dimensional shape measuring method capable of measuring a three-dimensional shape with high accuracy by measuring the three-dimensional shape of an object to be measured without being affected by the spherical aberration of the objective lens after setting the angle to 0. To aim.

【００３５】[0035]

【課題を解決するための手段】本発明の３次元形状測定
装置は、光プローブ内の投光手段からの光束を被測定物
に投射し、該被測定物からの反射光束を第１受光手段で
受光し、該第１受光手段からの信号を利用して該光プロ
ーブの所定面から該被測定物までの距離を検出する合焦
状態判別系と該被測定物からの反射光束を第２受光手段
で受光し、該第２受光手段からの信号を利用して該投光
手段からの光束の該被測定物への入射面の傾きを検出す
る傾斜角測定系とを有し、該合焦状態判別系と傾斜角測
定系で得られる信号を利用して該被測定物の３次元形状
を求める際、該合焦状態判別系は該傾斜角測定系で得ら
れる信号に基づいて合焦情報を補正する補正手段を有し
ていることを特徴としている。A three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention projects a light beam from a light projecting means in an optical probe onto an object to be measured, and reflects a light beam reflected from the object to be measured by a first light receiving means. A focus state determination system for detecting a distance from the predetermined surface of the optical probe to the object to be measured by using a signal from the first light receiving means, and a reflected light flux from the object to be measured by the second system. And a tilt angle measuring system for detecting the tilt of the incident surface of the light flux from the light projecting means on the object to be measured by using the signal from the second light receiving means. When the three-dimensional shape of the object to be measured is obtained using the signals obtained by the focus state determination system and the tilt angle measurement system, the focus state determination system focuses on the basis of the signal obtained by the tilt angle measurement system. It is characterized in that it has a correction means for correcting information.

【００３６】特に前記合焦状態判別系の少なくとも一つ
の要素は前記投光手段の光軸方向に移動可能となってい
ることや、前記投光手段は前記被測定物に光束を投射す
ると共に該被測定物からの反射光束を集光する対物レン
ズを有しており、前記傾斜角測定系は該被測定物からの
反射光束の該対物レンズへの入射情報を求めており、前
記補正手段は該傾斜角測定系で得られた該対物レンズへ
の入射情報に基づいて合焦情報を補正していることが望
ましい。In particular, at least one element of the focusing state determination system is movable in the optical axis direction of the light projecting means, and the light projecting means projects a light beam onto the object to be measured and The tilt angle measuring system obtains information on the incidence of the reflected light flux from the DUT on the objective lens, and the correction means It is desirable that the focus information is corrected based on the incident information on the objective lens obtained by the tilt angle measurement system.

【００３７】本発明の３次元形状測定方法は、光プロー
ブ内の投光手段からの光束を被測定物に投射し、該被測
定物からの反射光束を第２受光手段で受光し、該第２受
光手段からの信号を利用して該被測定物への光束の入射
面の傾きを検出し、該傾き検出に基づいて入射面と光プ
ローブとの相対的な傾斜角を一定に調整させ、次いで該
被測定物からの反射光束を第１受光手段で受光し、該第
１受光手段からの信号を利用して該光プローブの所定面
から該被測定物までの距離情報を検出し、該被測定物の
３次元形状を求めたことを特徴としている。According to the three-dimensional shape measuring method of the present invention, the light beam from the light projecting means in the optical probe is projected onto the object to be measured, the reflected light beam from the object is received by the second light receiving means, and the 2 The inclination of the incident surface of the light beam to the object to be measured is detected by using the signal from the light receiving means, and the relative inclination angle between the incident surface and the optical probe is adjusted to be constant based on the inclination detection, Next, the reflected light flux from the object to be measured is received by the first light receiving means, the distance information from the predetermined surface of the optical probe to the object to be measured is detected using the signal from the first light receiving means, The feature is that the three-dimensional shape of the object to be measured is obtained.

【００３８】特に前記光プローブの一部にエンコーダを
設け、該エンコーダにより該光プローブの回転角を検出
し、該回転角における理論上の光プローブの位置と実際
の光プローブの位置とのずれ量を予め求めておいたテー
ブルを参照して求め、該ずれ量に基づいて前記距離情報
を補正していることが望ましい。Particularly, an encoder is provided in a part of the optical probe, the rotation angle of the optical probe is detected by the encoder, and the deviation amount between the theoretical position of the optical probe and the actual position of the optical probe at the rotation angle is detected. It is preferable that the distance information is obtained by referring to a table obtained in advance and the distance information is corrected based on the deviation amount.

【００３９】[0039]

【実施例】図１は本発明の３次元形状測定装置の実施例
１の要部概略図である。Embodiment 1 FIG. 1 is a schematic view of the essential portions of Embodiment 1 of a three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention.

【００４０】３次元形状測定装置は被測定物の位置座標
を求める合焦状態判別光学系と被測定物の各面の傾きを
求める傾斜角測定光学系とを主要構成要件としている。The three-dimensional shape measuring apparatus mainly comprises an in-focus state determining optical system for obtaining the position coordinates of the object to be measured and an inclination angle measuring optical system for obtaining the inclination of each surface of the object to be measured.

【００４１】図中３６１は合焦状態判別光学系であり、
１６２は傾斜角測定光学系である。これらの各光学系３
６１及び１６２はケーシング（光プローブ）３２１に組
み込まれている。In the figure, reference numeral 361 denotes an in-focus state determination optical system,
162 is an inclination angle measuring optical system. Each of these optical systems 3
61 and 162 are incorporated in a casing (optical probe) 321.

【００４２】合焦状態判別光学系３６１は光源３０１、
コリメーターレンズ３０２、偏光ビームスプリッター３
０３、ハーフミラー３０４、１／４波長板３０５、対物
レンズ３０６、センサーレンズ３０７、そしてセンサー
（第１受光手段）３０８を有している。光源３０１とコ
リメーターレンズ３０２は投光手段の一要素を構成して
いる。The focusing state determination optical system 361 includes a light source 301,
Collimator lens 302, polarization beam splitter 3
03, a half mirror 304, a quarter-wave plate 305, an objective lens 306, a sensor lens 307, and a sensor (first light receiving unit) 308. The light source 301 and the collimator lens 302 form an element of the light projecting means.

【００４３】傾斜角測定光学系１６２は光源３０１、コ
リメーターレンズ３０２、偏光ビームスプリッター３０
３、ハーフミラー３０４、１／４波長板３０５、対物レ
ンズ３０６、そしてセンサー（第２受光手段）１１１を
有している。これら２つの光学系は各々一部の要素を共
有するようにして構成している。The tilt angle measuring optical system 162 includes a light source 301, a collimator lens 302, and a polarization beam splitter 30.
3, a half mirror 304, a quarter-wave plate 305, an objective lens 306, and a sensor (second light receiving unit) 111. These two optical systems are configured so as to share some elements.

【００４４】ケーシング３２１は外部に固設されたアク
チュエーター３４１に接続されている。これを駆動させ
ることにより、ケーシング３２１は対物レンズ３０６の
光軸Ｘに沿って、移動している。The casing 321 is connected to an actuator 341 fixed to the outside. By driving this, the casing 321 moves along the optical axis X of the objective lens 306.

【００４５】ケーシング３２１には又その移動量を測定
するための測長手段３５０が付設されている。測長手段
３５０としては例えば格子干渉測長方式によるものが用
いられ、この場合、図１における３５１はケーシング３
２１に固定された基準格子であり、３５２は外部に固設
された格子ピッチ読み取り装置である。３３１は３次元
形状を測定されるべき被測定物である。The casing 321 is also provided with a length measuring means 350 for measuring the amount of movement thereof. As the length measuring means 350, for example, one based on the grating interference length measuring method is used. In this case, 351 in FIG.
The reference grating is fixed to the reference numeral 21, and the reference numeral 352 is a grating pitch reading device fixed to the outside. 331 is an object to be measured whose three-dimensional shape is to be measured.

【００４６】次に本実施例の３次元形状測定装置におけ
る被測定物３３１の各位置の位置座標を求める合焦状態
判別光学系３６１の合焦状態判別法について説明する。Next, a focus state determination method of the focus state determination optical system 361 for obtaining the position coordinates of each position of the measured object 331 in the three-dimensional shape measuring apparatus of this embodiment will be described.

【００４７】光源３０１から発せられた光束はコリメー
タレンズ３０２により平行光束１７１とされる。そして
偏光ビームスプリッター３０３を透過した直線偏光の光
束はハーフミラー３０４を通過し、１／４波長板３０５
を透過して円偏光となり対物レンズ３０６に入射する。
このように対物レンズ３０６により収束された光は被測
定物３３１の表面３３１ａ上にスポット像を結ぶ。この
スポット像から反射された光は再び対物レンズ３０６を
透過し、１／４波長板３０５を経て直線偏光とし、ハー
フミラー３０４を通過し、今度は偏光ビームスプリッタ
ー３０３により反射され、センサーレンズ３０７を透過
した後、センサー（第１受光手段）３０８に到達する。The light beam emitted from the light source 301 is converted into a parallel light beam 171 by the collimator lens 302. Then, the linearly polarized light beam that has passed through the polarization beam splitter 303 passes through the half mirror 304, and the quarter wavelength plate 305
To be circularly polarized light and enter the objective lens 306.
The light thus converged by the objective lens 306 forms a spot image on the surface 331a of the DUT 331. The light reflected from this spot image again passes through the objective lens 306, passes through the quarter-wave plate 305 to be linearly polarized light, passes through the half mirror 304, and is reflected by the polarization beam splitter 303 this time, and then passes through the sensor lens 307. After passing through, it reaches the sensor (first light receiving means) 308.

【００４８】このとき前述したように被測定物３３１の
表面３３１ａと対物レンズ３０６との距離によりセンサ
ー３０８に到達する光の集光状態に差が生ずる。At this time, as described above, there is a difference in the condensed state of the light reaching the sensor 308 depending on the distance between the surface 331a of the object to be measured 331 and the objective lens 306.

【００４９】即ち、図２（Ａ）に示されるように被測定
物３３１の表面がちょうど対物レンズ３０６の焦点位置
（図中のイの位置）に存在する場合には被測定物３３１
の表面におけるスポット像はちょうど光軸Ｘ上にその中
心が位置するため、図２（Ｂ）に示すように反射光はセ
ンサー３０８において光軸Ｙ上に中心を持って入射す
る。That is, as shown in FIG. 2A, when the surface of the object 331 to be measured is located exactly at the focal position of the objective lens 306 (position a in the figure), the object 331 to be measured is 331.
Since the center of the spot image on the surface of is exactly on the optical axis X, the reflected light is incident on the sensor 308 with the center on the optical axis Y as shown in FIG.

【００５０】又、図２（Ａ）に示すように被測定物３３
１の表面が対物レンズ３０６の焦点位置よりも遠くに位
置する場合（図中のロの位置）にはスポット像は光軸Ｘ
からずれてＡゾーン内に中心を持って位置するため、そ
の反射光は図２（Ｂ）に示すようにセンサー３０８にお
いて光軸ＹからずれたＡ’ゾーンに中心をもって入射す
る。Further, as shown in FIG.
When the surface of No. 1 is located farther than the focal position of the objective lens 306 (position B in the figure), the spot image is the optical axis X.
Since it is located with a center in the A zone deviating from it, the reflected light is incident with a center in the A ′ zone deviated from the optical axis Y in the sensor 308 as shown in FIG. 2B.

【００５１】一方、図２（Ａ）に示すように被測定物３
３１の表面が対物レンズ３０６の焦点位置よりも近くに
位置する場合（図中のハの位置）には、光束は上記とは
逆の理由で、図２（Ｂ）に示すようにセンサー３０８に
おいてＢ’ゾーンに中心をもって入射する。On the other hand, as shown in FIG.
When the surface of 31 is located closer to the focal position of the objective lens 306 (position of C in the figure), the luminous flux is at the sensor 308 as shown in FIG. It is incident with the center in the B'zone.

【００５２】センサー３０８としてはＣＣＤ(Charge Co
upled Device）等のアレイセンサーが用いられる。As the sensor 308, a CCD (Charge Co
An array sensor such as an upled device) is used.

【００５３】センサー３０８においてＡ’ゾーンにおけ
る全センサーセグメントの出力の和をＩＡ’とし、Ｂ’
ゾーンにおける全センサーセグメントの出力の和をＩ
Ｂ’とすると、前述した如く光学系３６１の被測定物３
３１に対する合焦状態に応じて 差信号ΔＩ ΔＩ＝ＩＡ’−ＩＢ’ が変化する。In the sensor 308, the sum of the outputs of all sensor segments in the A'zone is IA ', and B'
I is the sum of the outputs of all sensor segments in the zone
Assuming B ′, the object to be measured 3 of the optical system 361 as described above.
The difference signal ΔI ΔI = IA′−IB ′ changes according to the focus state with respect to 31.

【００５４】その関係は前述の図３と同じである。同図
からわかるように、完全に合焦状態である場合（上記の
イの状態）の近傍において差信号ΔＩはほぼリニアに変
化する。この特性を利用することにより、光学系３６１
が前ピント外れ状態であるか、完全合焦状態であるか、
後ピント外れ状態であるかが判別している。このフォー
カシング（合焦状態）エラー判別法はいわゆるビーム偏
心法と呼ばれているものである。The relationship is the same as that shown in FIG. As can be seen from the figure, the difference signal ΔI changes almost linearly in the vicinity of the completely in-focus state (the above-mentioned a state). By utilizing this characteristic, the optical system 361
Is the subject out of focus or is in perfect focus,
It is determined whether or not the rear focus is out of focus. This focusing (focusing state) error determination method is a so-called beam eccentricity method.

【００５５】従って、この差信号ΔＩを０にするように
アクチュエーター３４１をサーボ駆動させることによ
り、自動フォーカシング（ＡＦ）を実現している。Therefore, automatic focusing (AF) is realized by servo-driving the actuator 341 so that the difference signal ΔI becomes zero.

【００５６】この際のケーシング３２１の移動量を測長
手段３５０で測定することにより被測定物３３１の表面
３３１ａの光軸Ｘと交わる部分の位置を測定している。
この位置測定を被測定物３３１の表面全体について行な
い、かつ後述する補正を行なうことによりその３次元形
状を測定している。By measuring the amount of movement of the casing 321 at this time by the length measuring means 350, the position of the portion of the surface 331a of the object 331 to be measured which intersects the optical axis X is measured.
This position measurement is performed on the entire surface of the DUT 331, and the three-dimensional shape is measured by performing the correction described later.

【００５７】次に傾斜角測定光学系１６２による被測定
物の面の傾きを測定する傾斜角測定法について説明す
る。Next, a tilt angle measuring method for measuring the tilt of the surface of the object to be measured by the tilt angle measuring optical system 162 will be described.

【００５８】光源３０１から発せられた光はレンズ３０
２を透過した後、平行光束１７１となって偏光ビームス
プリッター３０３に入射し透過する。そして透過した直
線偏光の光束はハーフミラー３０４及び１／４波長板３
０５を透過して、円偏光として対物レンズ３０６により
収束する。尚、この光学系１６２においては対物レンズ
３０６に入射する光束が光軸Ｘ上に中心を有し、かつ光
軸Ｘに平行に入射するようになっている。The light emitted from the light source 301 is the lens 30.
After passing through 2, the light beam becomes a parallel light beam 171 and enters the polarization beam splitter 303 and is transmitted therethrough. Then, the transmitted linearly polarized light beam is reflected by the half mirror 304 and the quarter wave plate 3
After passing through 05, it is converged by the objective lens 306 as circularly polarized light. In this optical system 162, the light beam incident on the objective lens 306 has a center on the optical axis X and is incident parallel to the optical axis X.

【００５９】このようにして対物レンズ３０６により収
束された光は被測定物３３１の表面上においてＸ軸上に
中心を有するスポット像を結ぶ。被測定物３３１から反
射された光束は再び対物レンズ３０６を透過し、１／４
波長板３０５を通過し、ハーフミラー３０４で反射した
後、センサー（第２受光手段）１１１に到達する。The light thus converged by the objective lens 306 forms a spot image centered on the X axis on the surface of the object 331 to be measured. The light flux reflected from the DUT 331 passes through the objective lens 306 again,
After passing through the wave plate 305 and being reflected by the half mirror 304, it reaches the sensor (second light receiving means) 111.

【００６０】このとき被測定物３３１の光の入射表面３
３１ａの傾斜角によりセンサー１１１に到達する光の位
置に差が生ずる。At this time, the light incident surface 3 of the DUT 331 is measured.
There is a difference in the position of light reaching the sensor 111 due to the inclination angle of 31a.

【００６１】図４はこのときの被測定物３３１の光入射
面３３１ａの傾きによる反射光（１７２，１７３）の光
路を示した説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the optical paths of the reflected light (172, 173) due to the inclination of the light incident surface 331a of the DUT 331 at this time.

【００６２】図４のセンサー１１１上において被測定物
３３１の表面３３１ａに傾斜角がない場合のスポット像
を結ぶ位置を点Ｃで示す。更に被測定物３３１の表面３
３１ａに傾斜角がある場合の反射光１７２及び１７３
が、ハーフミラー３０４で反射されてセンサー１１１上
にスポット像を結ぶ位置を点Ｄ’及び点Ｅ’で示す。こ
のように点Ｄ’、点Ｅ’が測定されるとＣＤまたはＣＥ
の距離（光軸Ｘからのずれ量）がわかり、これより被測
定物３３１の表面３３１ａの傾斜を求めている。A point C indicates a position on the sensor 111 of FIG. 4 where a spot image is formed when the surface 331a of the object 331 to be measured has no inclination angle. Further, the surface 3 of the DUT 331
Reflected lights 172 and 173 when 31a has an inclination angle
Is indicated by points D ′ and E ′, which represent the spot image on the sensor 111 after being reflected by the half mirror 304. In this way, when the points D'and E'are measured, CD or CE
Is known (the amount of deviation from the optical axis X), and the inclination of the surface 331a of the object to be measured 331 is obtained from this.

【００６３】例えば図５に示されるように被測定物３３
１の光束の入射表面３３１ａが光軸Ｘ上の位置において
光軸Ｘと垂直の面に対し角度αだけ傾いているとする
と、スポット像からの反射光束は光軸Ｘに対し角度２α
をなす方向に中心を有して対物レンズ３０６に入射す
る。For example, as shown in FIG.
Assuming that the incident surface 331a of the first light flux is inclined at an angle α with respect to the plane perpendicular to the optical axis X at a position on the optical axis X, the reflected light flux from the spot image has an angle 2α with respect to the optical axis X.
The light is incident on the objective lens 306 with the center in the direction of.

【００６４】今、対物レンズ３０６が理想的なものであ
るとすると対物レンズ３０６に入射した光束は光軸Ｘと
平行に進行し、その光束中心は光軸Ｘからずれ量をｈと
したとき ｈ＝ｆ sin２α （ｆ：対物レンズ３０６の焦点距
離） だけ隔てられている。Now, assuming that the objective lens 306 is ideal, the light flux incident on the objective lens 306 travels parallel to the optical axis X, and the center of the light flux is h when the amount of deviation from the optical axis X is h. = F sin2α (f: focal length of the objective lens 306).

【００６５】センサー１１１としては光束の重心位置検
知センサー、いわゆるポジショニングセンサー等が用い
られ、上記の光軸Ｘからのずれ量ｈを測定することによ
って角度αを求めている。しかしながら実際には対物レ
ンズ３０６には収差（主に球面収差）が残存している。A sensor for detecting the position of the center of gravity of the light beam, a so-called positioning sensor, or the like is used as the sensor 111, and the angle α is obtained by measuring the amount of deviation h from the optical axis X. However, in reality, aberration (mainly spherical aberration) remains in the objective lens 306.

【００６６】本実施例では合焦状態判別光学系で得られ
る合焦情報が対物レンズ３０６の収差により影響を受け
るので、まず傾斜角測定光学系１６２で光束が対物レン
ズ３０６に入射する位置（入射高）を求め、この位置に
相当する収差量で合焦情報を補正し、被測定物３３１の
位置座標を高精度に求めていることを特徴としている。In this embodiment, since the focus information obtained by the focus state determination optical system is affected by the aberration of the objective lens 306, first, in the tilt angle measuring optical system 162, the position at which the light beam enters the objective lens 306 (incident) High) is obtained, the focusing information is corrected with the aberration amount corresponding to this position, and the position coordinates of the DUT 331 are obtained with high accuracy.

【００６７】即ち、図４においてセンサー１１１上のス
ポット像の結像位置Ｄ’又はＥ’から、反射光１７２又
は１７３が対物レンズ３０６を透過した位置Ｄ又はＥが
求めている。That is, in FIG. 4, the position D or E at which the reflected light 172 or 173 passes through the objective lens 306 is obtained from the image forming position D'or E'of the spot image on the sensor 111.

【００６８】対物レンズ３０６が完全な理想レンズ（無
収差レンズ）であれば、対物レンズ３０６と被測定物３
３１表面までの距離Ｌを合焦状態判別光学系３６１にて
一定に保つことができる。しかしながら実際の対物レン
ズ３０６においては収差が存在し、更に被測定物３３１
からの反射光が入射する位置によって収差が異なるた
め、対物レンズ３０６から被測定物３３１の表面３３１
ａまでの距離Ｌに合焦ずれがＸ軸方向に存在し、更にそ
の量は反射光が対物レンズ３０６に入射する位置によっ
て異なる。If the objective lens 306 is a perfect ideal lens (aberration-free lens), the objective lens 306 and the object to be measured 3
The distance L to the surface 31 can be kept constant by the focus state determination optical system 361. However, there are aberrations in the actual objective lens 306, and the object to be measured 331 is also present.
Since the aberration varies depending on the position at which the reflected light from is incident, the surface 331 of the DUT 331 from the objective lens 306.
There is a focus shift in the X-axis direction at the distance L to a, and the amount thereof varies depending on the position where the reflected light enters the objective lens 306.

【００６９】そこで本実施例ではあらかじめ対物レンズ
３０６において点Ｄ又は点Ｅのようなある位置の収差及
びそれに伴う合焦ずれ量を求めている。そして図１に示
すようにコンピュータによりそのずれ量で合焦状態判別
光学系３６１によって得られた合焦情報を補正すること
により、高精度に３次元形状を測定している。このとき
の補正は例えば真球原器を被測定物として用い、このと
きの傾斜角と合焦信号をテーブルにとり、このテーブル
を用いること等で対応している。Therefore, in the present embodiment, the aberration of the objective lens 306 at a certain position such as the point D or the point E and the amount of focus shift associated therewith are obtained in advance. Then, as shown in FIG. 1, the three-dimensional shape is measured with high accuracy by correcting the focus information obtained by the focus state determination optical system 361 with the shift amount by the computer. The correction at this time is made by using, for example, a true spherical prototype as an object to be measured, and taking a tilt angle and focusing signal at this time in a table and using this table.

【００７０】具体的には以下の様にする。まず補正を行
なわない状態で合焦状態判別光学系３６１によって得ら
れた合焦情報により大まかにＡＦを行なう。これにより
傾斜角測定光学系１６２の測定が可能な状態になる。そ
こで傾斜角測定光学系１６２の検出データを用いて対物
レンズ３０６への光束入射位置を求め、収差データ及び
それに伴う合焦ずれ量データから合焦情報を補正し、正
確な３次元形状測定を行なう。Specifically, the following is done. First, AF is roughly performed based on the focus information obtained by the focus state determination optical system 361 without correction. As a result, the tilt angle measuring optical system 162 becomes ready for measurement. Therefore, the light beam incident position on the objective lens 306 is obtained using the detection data of the tilt angle measurement optical system 162, the focusing information is corrected from the aberration data and the focusing deviation amount data accompanying it, and accurate three-dimensional shape measurement is performed. ..

【００７１】図６は本発明の３次元形状測定装置の実施
例２の要部概略図である。図中、図１で示した要素と同
一要素には同符番を付している。FIG. 6 is a schematic view of the essential portions of Embodiment 2 of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention. In the figure, the same elements as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals.

【００７２】図６において１１６１は合焦状態判別光学
系であり、１１６２は傾斜角測定光学系である。これら
の各光学系１１６１及び１１６２はケーシング３２１に
組み込まれている。In FIG. 6, 1161 is an in-focus state determination optical system, and 1162 is a tilt angle measurement optical system. Each of these optical systems 1161 and 1162 is incorporated in a casing 321.

【００７３】本実施例における合焦状態判別光学系１１
６１において使用されているフォーカシング（合焦状
態）エラー検知方法は非点収差法と呼ばれているもので
あり、この点が図１の実施例１と異なっており、その他
の構成は基本的には同じである。Focusing state determination optical system 11 in this embodiment
The focusing (focusing state) error detection method used in 61 is called an astigmatism method, and this point is different from Example 1 in FIG. 1, and other configurations are basically the same. Are the same.

【００７４】尚、図６では被測定物３３１に入射する光
束が合焦状態にあるときを示している。図中１１０７は
シリンドリカルレンズ、１１０８，１１１１はセンサー
である。光学系１１６２における光源３０１、コリメー
ターレンズ３０２、偏光ビームスプリッター３０３、ハ
ーフミラー３０４、１／４波長板３０５及び対物レンズ
３０６は光学系１１６１と共用されている。Incidentally, FIG. 6 shows the case where the light beam incident on the object to be measured 331 is in the focused state. In the figure, 1107 is a cylindrical lens, and 1108 and 1111 are sensors. The light source 301, the collimator lens 302, the polarization beam splitter 303, the half mirror 304, the quarter wave plate 305, and the objective lens 306 in the optical system 1162 are shared with the optical system 1161.

【００７５】次に本実施例の３次元形状測定装置におけ
る合焦状態判別光学系１１６１の合焦状態判別法につき
説明する。Next, a method of discriminating the in-focus state of the in-focus state discriminating optical system 1161 in the three-dimensional shape measuring apparatus of this embodiment will be described.

【００７６】図６における合焦状態判別光学系１１６１
が図１の実施例１における合焦状態判別光学系３６１と
異なるのは図６における被測定物３３１からの反射光１
１７２が偏光ビームスプリッター３０３で反射した後の
部分だけである。Focusing state determination optical system 1161 in FIG.
6 differs from the focused state determination optical system 361 in the first embodiment shown in FIG. 1 in that the reflected light 1 from the DUT 331 in FIG.
Only the part after 172 is reflected by the polarization beam splitter 303.

【００７７】従って、以下この部分の説明をし、図６に
おいて入射光１１７１が光源３０１から出て被測定物３
３１で反射され、偏光ビームスプリッター３０３に入射
するまでのところは省略する。Therefore, this portion will be described below, and in FIG. 6, incident light 1171 is emitted from the light source 301 and the DUT 3 is measured.
The description up to the point where the light is reflected at 31 and enters the polarization beam splitter 303 is omitted.

【００７８】図６において反射光１１７２は偏光ビーム
スプリッター３０３で反射された後、シリンドリカルレ
ンズ１１０７に入射する。シリンドリカルレンズは図６
に示すとおりある一方向にのみ曲率を持つレンズである
ので、入射された光束は紙面直交方向にのみ収束され、
紙面内方向は収束されずそのまま透過する。In FIG. 6, the reflected light 1172 is reflected by the polarization beam splitter 303, and then enters the cylindrical lens 1107. Figure 6 shows the cylindrical lens.
Since it is a lens having a curvature only in one direction as shown in, the incident light beam is converged only in the direction orthogonal to the paper surface,
The in-plane direction is not converged and is transmitted as it is.

【００７９】入射光束はシリンドリカルレンズ１１０７
を透過した後センサー１１０８に到達する。センサー１
１０８は被測定物が傾斜角を有する際にも対応できる２
次元エリアセンサーを用いている。その際、図６に示す
ようにスポット像の横の長さＷ１と縦の長さＷ２が等し
くなるようにセンサー１１０８の位置を設定している。
言い換えればスポット像が円形になるようにしておく。The incident light beam is a cylindrical lens 1107.
And reaches the sensor 1108. Sensor 1
108 can be used even when the DUT has an inclination angle 2
A dimensional area sensor is used. At that time, as shown in FIG. 6, the position of the sensor 1108 is set so that the horizontal length W1 and the vertical length W2 of the spot image are equal.
In other words, the spot image should be circular.

【００８０】信号処理法としては例えばセンサー１１０
８面に対して水平、垂直各方向に輝度信号積算し、おお
むねガウシアンビーム形状の波形からｅ-2の径を算出
し、それをスポット像の径とする方法が用いられる。以
上より完全に合焦状態である場合は合焦状態判別光学系
１１６１から得られる信号を（Ｗ１−Ｗ２）とすると、
その値は０になる。As a signal processing method, for example, the sensor 110
A method is used in which luminance signals are integrated in each of the horizontal and vertical directions with respect to the eight planes, the diameter of e −2 is calculated from the waveform of the Gaussian beam shape, and the calculated diameter is used as the diameter of the spot image. From the above, when the focus state is perfectly in focus, the signal obtained from the focus state determination optical system 1161 is (W1-W2),
Its value becomes 0.

【００８１】次に、完全に合焦状態でない場合の光路図
を図７，図８に示す。Next, FIG. 7 and FIG. 8 show optical path diagrams when the subject is not perfectly in focus.

【００８２】図７が後ピント外れ状態、図８が前ピント
外れ状態である。これは両方ともに対物レンズ３０６と
被測定物３３１との距離が一定でなく、反射光１１７２
が再び対物レンズ３０６を透過した後、光束がＸ軸に対
して平行にならないために生ずる。そのため、図７，図
８に示すようにセンサー１１０８上のスポット像は円形
にならない。つまりこのような場合はセンサー１１０８
から得られる信号（Ｗ１−Ｗ２）の値は０にならず、図
７の後ピント外れ状態のときはプラス、図８の前ピント
外れ状態のときはマイナスの値として出力される。FIG. 7 shows the rear defocus state, and FIG. 8 shows the front defocus state. In both cases, the distance between the objective lens 306 and the DUT 331 is not constant, and the reflected light 1172
After passing through the objective lens 306 again, the light flux is not parallel to the X axis. Therefore, the spot image on the sensor 1108 is not circular as shown in FIGS. That is, in such a case, the sensor 1108
The value of the signal (W1-W2) obtained from is not 0, and is output as a positive value in the rear defocus state of FIG. 7 and a negative value in the front defocus state of FIG.

【００８３】従ってこのときの出力信号（Ｗ１−Ｗ２）
に基づき、信号（Ｗ１−Ｗ２）を０にするようにアクチ
ュエーター３４１をサーボ駆動させることにより、自動
フォーカシング（ＡＦ）を実現している。この際のケー
シング３２１の移動量を測長手段３５０で測定すること
により、被測定物３３１の表面３３１ａの光軸Ｘと交わ
る部分の位置を測定している。この位置測定を表面全体
について行なうことにより３次元形状を測定している。Therefore, the output signal (W1-W2) at this time
Based on the above, the automatic focusing (AF) is realized by servo-driving the actuator 341 so that the signals (W1-W2) become zero. By measuring the amount of movement of the casing 321 at this time by the length measuring means 350, the position of the portion of the surface 331a of the measured object 331 that intersects the optical axis X is measured. A three-dimensional shape is measured by performing this position measurement on the entire surface.

【００８４】傾斜角測定光学系１１６２の傾斜角測定法
と３次元形状測定装置の信号（ＤＡＴＡ）の流れについ
ては図１の実施例１で述べたのと同様であるので省略す
る。The tilt angle measuring method of the tilt angle measuring optical system 1162 and the flow of the signal (DATA) of the three-dimensional shape measuring apparatus are the same as those described in the first embodiment of FIG.

【００８５】図９（Ａ），（Ｂ）は本発明の３次元形状
測定装置の実施例３の要部概略図である。図中、図１で
示した要素と同一要素には同符番を付している。FIGS. 9A and 9B are schematic views of the essential portions of Embodiment 3 of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention. In the figure, the same elements as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals.

【００８６】図９（Ａ）において１４６１は合焦状態判
別光学系であり、１４６２は傾斜角測定光学系である。
これらの各光学系１４６１及び１４６２はケーシング３
２１に組み込まれている。In FIG. 9A, 1461 is an in-focus state determining optical system, and 1462 is an inclination angle measuring optical system.
Each of these optical systems 1461 and 1462 is a casing 3
21.

【００８７】本実施例における合焦状態判別光学系１４
６１において使用されているフォーカシング（合焦状
態）エラー検知方法は同心円法と呼ばれているものであ
り、この点が図１の実施例１と異なり、その他の構成は
基本的に同じである。尚、図９（Ａ）では被測定物３３
１に入射する光束が合焦状態にあるときを示している。Focusing state determination optical system 14 in the present embodiment
The focusing (focusing state) error detection method used in 61 is called the concentric circle method, and this point is different from the first embodiment in FIG. 1, and other configurations are basically the same. Incidentally, in FIG.
1 shows the case where the light beam entering 1 is in focus.

【００８８】図中１４０８，１４１１はセンサーであ
る。光学系１４６２における光源３０１、コリメーター
レンズ３０２、偏光ビームスプリッター３０３、ハーフ
ミラー３０４、１／４波長板３０５及び対物レンズ３０
６は光学系１４６１と共用されている。In the figure, 1408 and 1411 are sensors. The light source 301, the collimator lens 302, the polarization beam splitter 303, the half mirror 304, the quarter wave plate 305, and the objective lens 30 in the optical system 1462.
6 is shared with the optical system 1461.

【００８９】次に本実施例の３次元形状測定装置におけ
る合焦状態判別光学系１４６１の合焦状態判別法につき
説明する。Next, the focusing state determination method of the focusing state determination optical system 1461 in the three-dimensional shape measuring apparatus of this embodiment will be described.

【００９０】図９（Ａ）における合焦状態判別光学系１
４６１が図１の実施例１における合焦状態判別光学系３
６１と異なるのは図９（Ａ）における被測定物３３１か
らの反射光１４７２がセンサーレンズ３０７を透過した
後の部分だけである。従って以下はこの部分の説明を
し、図９（Ａ）において入射光１４７１が光源３０１か
ら出て被測定物３３１で反射され、偏光ビームスプリッ
ター３０３で反射されるところまでは省略する。Focusing state determination optical system 1 in FIG. 9 (A)
Reference numeral 461 denotes the focusing state determination optical system 3 in the first embodiment of FIG.
The difference from 61 is only the portion after the reflected light 1472 from the DUT 331 in FIG. 9A has passed through the sensor lens 307. Therefore, hereinafter, this part will be described, and the part where the incident light 1471 is emitted from the light source 301, reflected by the DUT 331, and reflected by the polarization beam splitter 303 in FIG. 9A will be omitted.

【００９１】図９（Ａ）において、センサーレンズ３０
７を透過した光束はセンサー１４０８に向かって収束し
ていきセンサー１４０８面上にスポット像を結ぶ。セン
サー１４０８面は被測定物３３１に対して完全合焦状態
であるか、又は後ピント外れ状態、前ピント外れ状態で
あるかを正しく認識させるために、Ｙ軸とセンサーレン
ズ３０７を出た収束光との交点からＹ軸方向の前後にや
や離れた位置に設置している。In FIG. 9A, the sensor lens 30
The light flux that has passed through 7 converges toward the sensor 1408 and forms a spot image on the surface of the sensor 1408. In order to correctly recognize whether the surface of the sensor 1408 is in perfect focus with respect to the DUT 331, or the rear defocused state or the front defocused state, the convergent light emitted from the Y axis and the sensor lens 307 is detected. It is installed at a position slightly distant from the intersection with the front and rear in the Y-axis direction.

【００９２】図９（Ａ）にはセンサー１４０８面が交点
からややセンサーレンズ３０７側へ離れた位置にある場
合を示す。FIG. 9A shows the case where the surface of the sensor 1408 is located slightly away from the intersection toward the sensor lens 307.

【００９３】今、図９（Ｂ）に示すようにセンサー１４
０８面上に結像した光束のスポットをＨ、そのスポット
Ｈから算出された光束の重心をＧとする。被測定物３３
１の表面３３１ａの傾斜角が変化すると重心Ｇも移動す
る。その信号処理法としては例えばセンサー１４０８に
２次元エリアセンサーを使用してセンサー１４０８面に
対して水平、垂直各方向に輝度信号を積算し、おおむね
ガウシアンビーム形状の波形からｅ-2の径を算出して、
それをスポットＨとし、そのスポットＨの強度分布から
重心Ｇを求める方法を用いている。Now, as shown in FIG.
Let H be the spot of the light flux imaged on the 08 plane, and let G be the center of gravity of the light flux calculated from the spot H. DUT 33
When the inclination angle of the surface 331a of No. 1 changes, the center of gravity G also moves. As the signal processing method, for example, a two-dimensional area sensor is used as the sensor 1408, and the luminance signals are integrated in each of the horizontal and vertical directions with respect to the surface of the sensor 1408, and the diameter of e -2 is calculated from the roughly Gaussian beam shape waveform do it,
A spot H is used as the spot H, and a method of obtaining the center of gravity G from the intensity distribution of the spot H is used.

【００９４】更にセンサー１４０８面上において実際に
信号を取るエリアとして重心Ｇから半径ＲＩ内のＩ、重
心Ｇから半径ＲＪ１から半径ＲＪ２までのＪというエリ
アを考える。ここでは、ＲＩ＜ＲＪ１として示したがこ
れは任意で良い。Further, on the surface of the sensor 1408, consider the area from the center of gravity G to I within the radius RI and the area from the center of gravity G to radius RJ1 to radius RJ2 as area J that actually takes signals. Although RI <RJ1 is shown here, this may be arbitrary.

【００９５】次にスポットＨと２つのエリアが重なって
いる部分、つまりスポットＨによって信号を取るエリア
をＩ×Ｈ、Ｊ×Ｈとし、センサー１４０８から出力され
る信号を（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）とする。Next, a portion where the spot H and the two areas are overlapped, that is, an area for taking a signal by the spot H is set as I × H and J × H, and a signal output from the sensor 1408 is (I × H−J ×). H).

【００９６】図９（Ａ）は前述のとおり被測定物３３１
へ合焦が完全になされている場合であるが、その際、出
力信号（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）の値を０にしておく。つま
り、合焦が完全になされている場合は合焦状態判別光学
系１４６１から得られる出力信号（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）の
値は０となる。FIG. 9A shows the object to be measured 331 as described above.
This is a case where the focus is completely on, but at that time, the value of the output signal (I × H−J × H) is set to zero. That is, when focusing is completed, the value of the output signal (I × H−J × H) obtained from the focused state determination optical system 1461 becomes 0.

【００９７】次に完全に合焦状態でない場合の光路図を
図１０，図１１に示す。Next, FIGS. 10 and 11 show optical path diagrams in the case where the focus state is not perfect.

【００９８】図１０が後ピント外れ状態、図１１が前ピ
ント外れ状態である。これも（実施例２）と同様、両方
ともに対物レンズ３０６と被測定物３３１との距離が一
定でなく、反射光１４７２が再び対物レンズ３０６を透
過した後、光束がＸ軸に対して平行にならないために生
ずる。そのため、図１０，図１１に示すようにスポット
Ｈの大きさは完全合焦時と比較して小さくなったり、大
きくなったりする。FIG. 10 shows the rear defocused state, and FIG. 11 shows the front defocused state. Similarly to (Example 2), the distance between the objective lens 306 and the DUT 331 is not constant in both cases, and after the reflected light 1472 passes through the objective lens 306 again, the light flux becomes parallel to the X axis. It occurs because it does not become. Therefore, as shown in FIGS. 10 and 11, the size of the spot H becomes smaller or larger than that at the time of perfect focusing.

【００９９】本実施例においてはセンサー１４０８から
の出力信号（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）は図１０（後ピント外れ
状態）の場合プラス、図１１（前ピント外れ状態）の場
合マイナスの値として出力される。In this embodiment, the output signal (I.times.H-J.times.H) from the sensor 1408 is a plus value in the case of FIG. 10 (rear defocusing state) and a negative value in the case of FIG. 11 (front defocusing state). Is output.

【０１００】従ってこの出力に基づき、これを０にする
ようにアクチュエータ３４１をサーボ駆動させることに
より、自動フォーカシング（ＡＦ）が実現している。こ
の際のケーシング３２１の移動量を測長手段３５０で測
定することにより、被測定物３３１の表面３３１ａの光
軸Ｘと交わる部分の位置を測定している。この位置測定
を表面全体について行なうことにより３次元形状を測定
している。Therefore, based on this output, the automatic focusing (AF) is realized by servo-driving the actuator 341 so as to make it zero. By measuring the amount of movement of the casing 321 at this time by the length measuring means 350, the position of the portion of the surface 331a of the measured object 331 that intersects the optical axis X is measured. A three-dimensional shape is measured by performing this position measurement on the entire surface.

【０１０１】傾斜角測定光学系１４６２の傾斜角測定法
と３次元形状測定装置の信号（ＤＡＴＡ）の流れについ
ては実施例１で述べたのと同様であるので省略する。The method of measuring the tilt angle of the tilt angle measuring optical system 1462 and the flow of the signal (DATA) of the three-dimensional shape measuring apparatus are the same as those described in the first embodiment, and therefore the description thereof is omitted.

【０１０２】図１２は本発明の３次元形状測定装置の実
施例４の要部概略図である。図中、図１で示した要素と
同一要素には同符番を付している。FIG. 12 is a schematic view of the essential portions of Embodiment 4 of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention. In the figure, the same elements as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals.

【０１０３】図１２において１７６１は合焦状態判別光
学系であり、１７６２は傾斜角測定光学系であるが本実
施例では両方ともに全く同じ光学系を使用している点が
図１の実施例１と異なり、その他の構成は基本的には同
じである。In FIG. 12, 1761 is an in-focus state determination optical system, and 1762 is an inclination angle measurement optical system, but in this embodiment, the same optical system is used for both of them. Unlike the above, other configurations are basically the same.

【０１０４】即ち、本実施例における合焦状態判別光学
系１７６１は図１の実施例１の合焦状態判別光学系３６
１に比べて被測定物３３１からの反射光１７２（１７
３）を分岐させる為のハーフミラー３０４とセンサー１
１１を用いていないだけである。That is, the focus state determination optical system 1761 in this embodiment is the focus state determination optical system 36 in the first embodiment shown in FIG.
1, the reflected light 172 (17
Half mirror 304 and sensor 1 for branching 3)
Only 11 is not used.

【０１０５】図１２において光学系１７６１及び１７６
２はケーシング３２１に組み込まれている。合焦状態判
別光学系１７６１において使用されているフォーカシン
グ（合焦状態）エラー検知方法はウォブリング法と呼ば
れている方法を用いている。In FIG. 12, optical systems 1761 and 176 are provided.
2 is incorporated in the casing 321. The focusing (focusing state) error detection method used in the focused state determination optical system 1761 uses a method called a wobbling method.

【０１０６】又、被測定物３３１の傾斜角の測定はセン
サー３０８をＹ軸方向に微小振動させて行なっている。
この為、合焦状態を判別する際、センサー３０８の表面
の位置がセンサーレンズ３０７を透過した収束光がＹ軸
と交わる点にあるときに信号を得るようにしている。The inclination angle of the object to be measured 331 is measured by slightly vibrating the sensor 308 in the Y-axis direction.
For this reason, when determining the in-focus state, a signal is obtained when the position of the surface of the sensor 308 is at the point where the converged light that has passed through the sensor lens 307 intersects the Y axis.

【０１０７】次に、傾斜角測定光学系１７６２の傾斜角
測定法について説明する。Next, the tilt angle measuring method of the tilt angle measuring optical system 1762 will be described.

【０１０８】図１２において光源３０１から射出した光
束は偏光ビームスプリッター３０１、１／４波長板３０
５を通過した後、対物レンズ３０６で集光され被測定物
３３１に入射している。被測定物３３１で反射し、対物
レンズ３０６で集光された光束は１／４波長板３０５を
通過し偏光ビームスプリッター３０３で反射し、センサ
ーレンズ３０７で集光されてセンサー３０８に入射す
る。In FIG. 12, the light beam emitted from the light source 301 is the polarization beam splitter 301 and the quarter wavelength plate 30.
After passing through 5, the light is condensed by the objective lens 306 and is incident on the DUT 331. The light beam reflected by the DUT 331 and condensed by the objective lens 306 passes through the quarter-wave plate 305, is reflected by the polarization beam splitter 303, is condensed by the sensor lens 307, and enters the sensor 308.

【０１０９】本実施例ではこのとき被測定物３３１から
の反射光１７７２，１７７３がセンサーレンズ３０７を
透過した後、センサー３０８に向かって収束していく
が、その際、センサー面３０８ａを収束光とＹ軸との交
点を中心にしてＹ軸方向に微小振動（ウォブリング）さ
せている。これより図１３の矢視図に示すようにスポッ
ト像が時間的に変化する。In this embodiment, at this time, the reflected lights 1772 and 1773 from the object to be measured 331 pass through the sensor lens 307 and then converge toward the sensor 308. At that time, the sensor surface 308a becomes the converged light. A small vibration (wobbling) is made in the Y-axis direction around the intersection with the Y-axis. As a result, the spot image temporally changes as shown in the view of FIG.

【０１１０】図１３においてＸ’軸とＺ’軸との交点が
収束光とＹ軸との交点を示しているがこの位置には最も
小さいスポット像を結び、センサー端にいくに従ってス
ポット像はだんだん大きくなる。In FIG. 13, the intersection of the X'axis and Z'axis shows the intersection of the convergent light and the Y axis. The smallest spot image is formed at this position, and the spot image gradually increases toward the sensor end. growing.

【０１１１】時間変化によるスポット像重心の軌跡は
Ｘ’軸とＺ’軸との交点を通る直線となり、この直線と
Ｚ’軸とのなす角γ１、γ２を算出することにより被測
定物表面の傾斜角を算出している。The locus of the center of gravity of the spot image due to a change with time is a straight line passing through the intersection of the X'axis and the Z'axis, and the angles γ1 and γ2 formed by this straight line and the Z'axis are calculated to determine the surface of the object to be measured. The tilt angle is calculated.

【０１１２】次に３次元形状測定装置の信号（ＤＡＴ
Ａ）の流れについては実施例１では合焦状態判別光学系
と傾斜角測定光学系の２つの光学系を持ち、それぞれの
光学系にあるセンサー２つから信号を得ていた。Next, the signal of the three-dimensional shape measuring apparatus (DAT
Regarding the flow of A), the first embodiment has two optical systems, a focusing state determination optical system and a tilt angle measurement optical system, and signals are obtained from two sensors in each optical system.

【０１１３】これに対して本実施例では図１２における
光学系が合焦状態判別光学系１７６１と傾斜角測定光学
系１７６２両方を兼ねて１つのセンサー３０８から両方
の信号を得ているところが異なっているが、その後の信
号処理の方法は実施例１と同じである。On the other hand, the present embodiment is different in that the optical system in FIG. 12 serves as both the focus state determination optical system 1761 and the tilt angle measuring optical system 1762 and receives both signals from one sensor 308. However, the subsequent signal processing method is the same as that in the first embodiment.

【０１１４】図１４，図１５は本発明の３次元形状測定
装置の実施例５の要部概略図と要部外観図である。図
中、図１で示した要素と同一要素には同符番を付してい
る。14 and 15 are a schematic view of a main part and an external view of the main part of a fifth embodiment of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention. In the figure, the same elements as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals.

【０１１５】本実施例ではケーシング３２１内の傾斜角
測定光学系１６２により被測定物３３１との相対角度を
検出し、該検出信号に基づいてケーシング３２１を回転
させ前記相対角度を０にしてから対物レンズ３０６の球
面収差の影響を受けない状態で被測定物３３１の３次元
形状を測定することを特徴としている。In this embodiment, the tilt angle measuring optical system 162 in the casing 321 detects the relative angle to the object to be measured 331, and the casing 321 is rotated based on the detected signal to set the relative angle to 0 and then the objective lens is rotated. It is characterized in that the three-dimensional shape of the DUT 331 is measured without being affected by the spherical aberration of the lens 306.

【０１１６】図中、３６１は合焦状態判別光学系であ
り、１６２は傾斜角測定光学系である。これらの各光学
系３６１及び１６２はケーシング（光プローブ）３２１
に組み込まれている。In the figure, 361 is an in-focus state determination optical system, and 162 is an inclination angle measurement optical system. Each of these optical systems 361 and 162 is a casing (optical probe) 321.
Built into.

【０１１７】合焦状態判別光学系３６１は光源３０１、
コリメータレンズ３０２、偏光ビームスプリッター３０
３、ハーフミラー３０４、１／４波長板３０５、対物レ
ンズ３０６、センサーレンズ３０７そしてセンサー３０
８を有している。The focus state determination optical system 361 is composed of the light source 301,
Collimator lens 302, polarization beam splitter 30
3, half mirror 304, quarter wave plate 305, objective lens 306, sensor lens 307 and sensor 30
Have eight.

【０１１８】傾斜角測定光学系１６２は光源３０１、コ
リメーターレンズ３０２、偏光ビームスプリッター３０
３、ハーフミラー３０４、１／４波長板３０５、対物レ
ンズ３０６、そしてセンサー１１１を有している。これ
ら２つの光学系は各々一部の要素を共有するようにして
構成している。The tilt angle measuring optical system 162 includes a light source 301, a collimator lens 302, and a polarization beam splitter 30.
3, a half mirror 304, a quarter-wave plate 305, an objective lens 306, and a sensor 111. These two optical systems are configured so as to share some elements.

【０１１９】ケーシング３２１は外部に固定されたアク
チュエータ３４１に接続されている。アクチュエーター
３４１を駆動させることによりケーシング３２１は光プ
ローブから被測定物３３１の表面への集光点を中心にし
てＸ軸回りの回転θｘ方向とＹ軸回りの回転θｙ方向に
回転している。The casing 321 is connected to an actuator 341 fixed to the outside. By driving the actuator 341, the casing 321 is rotated in the rotation θx direction around the X axis and the rotation θy direction around the Y axis around the condensing point on the surface of the DUT 331 from the optical probe.

【０１２０】ケーシング３２１には、又前記回転角を測
定するための測角手段１９０が付設されている。測角手
段１９０としては例えば格子干渉方式によるものが用い
られ、この場合、図１４における１９１はケーシング３
２１に固定された基準格子であり、１９２は外部に固定
された格子ピッチ読み取り装置である。The casing 321 is also provided with angle measuring means 190 for measuring the rotation angle. As the angle measuring means 190, for example, a grating interference type is used. In this case, reference numeral 191 in FIG.
Reference numeral 21 is fixed to the reference grating, and 192 is a grating pitch reading device fixed to the outside.

【０１２１】又、３３１は被測定物、１８１は該被測定
物を固定するステージを示す。ステージ１８１は外部に
固設されたアクチュエーター１８２に接続されている。
該アクチュエーター１８２を駆動させることによりステ
ージ１８１はＺ方向に移動することができる。Reference numeral 331 indicates an object to be measured, and reference numeral 181 indicates a stage for fixing the object to be measured. The stage 181 is connected to an actuator 182 fixed outside.
The stage 181 can be moved in the Z direction by driving the actuator 182.

【０１２２】ステージ１８１には、又その移動量を測定
し被測定物３３１のＸ，Ｙ座標を得るための測長手段１
５０が付設されている。測長手段１５０としては例えば
格子干渉方式によるものが用いられ、この場合図１４に
おける１５１はステージ１８１に固定された基準格子で
あり、１５２は外部に固設されたピッチ読み取り装置で
ある。On the stage 181, the length measuring means 1 for measuring the amount of movement and obtaining the X and Y coordinates of the object 331 to be measured.
50 is attached. As the length measuring means 150, for example, a grating interference type is used, in which case 151 in FIG. 14 is a reference grating fixed to the stage 181, and 152 is a pitch reading device fixed to the outside.

【０１２３】次に本実施例の３次元形状測定装置の傾斜
角測定光学系１６２における光プローブと被測定物３３
１との相対角度θｘ，θｙの検出方法及び該相対角度θ
ｘ，θｙを０にする方法について説明する。Next, the optical probe and the object to be measured 33 in the tilt angle measuring optical system 162 of the three-dimensional shape measuring apparatus of this embodiment.
Method for detecting relative angles θx and θy with respect to 1 and the relative angle θ
A method of setting x and θy to 0 will be described.

【０１２４】まず合焦状態判別光学系３６１によってお
おまかにＡＦを行う。粗くＡＦが完了した状態で以下の
様な処理を行う。First, the focusing state determination optical system 361 roughly performs AF. The following processing is performed in a state where the AF is roughly completed.

【０１２５】光源３０１から発せられた光はコリメータ
レンズ３０２を透過した後、平行光束となって偏光ビー
ムスプリッター３０３、ハーフミラー３０４、１／４波
長板３０５を透過し、対物レンズ３０６により収束され
被測定物３３１の表面に集光する。被測定物３３１の表
面３３１ａで反射された光は再び対物レンズ３０６、１
／４波長板３０５を透過し、ハーフミラー３０４で反射
されてセンサー１１１に到達する。The light emitted from the light source 301 passes through the collimator lens 302, becomes a parallel light flux, passes through the polarization beam splitter 303, the half mirror 304, and the quarter wavelength plate 305, and is converged by the objective lens 306. The light is focused on the surface of the measurement object 331. The light reflected by the surface 331a of the object to be measured 331 again receives the objective lenses 306, 1
The light passes through the quarter-wave plate 305, is reflected by the half mirror 304, and reaches the sensor 111.

【０１２６】この際、光プローブと被測定物３３１との
なす角θｘ，θｙが０であればセンサー１１１上には図
１４におけるＸ２軸とセンサー１１１面との交点を中心
とした円形にスポット像を結ぶ。前記θｘ，θｙが０で
ない場合にはスポット像はセンサー１１１上の別の場所
に像を結ぶので、スポット像の位置を検出しこのスポッ
ト像の中心座標がＸ２軸とセンサー１１１面との交点に
なるようにアクチュエーター３４１にフィードバックを
かけ光プローブをθｘ方向、θｙ方向に回転させてい
る。又この光プローブの回転角は測角手段１９０で測定
している。At this time, if the angles θx and θy formed by the optical probe and the object to be measured 331 are 0, a circular spot image is formed on the sensor 111 with the intersection of the X2 axis in FIG. 14 and the surface of the sensor 111 as the center. Tie When θx and θy are not 0, the spot image is formed at another place on the sensor 111, so the position of the spot image is detected and the center coordinate of this spot image is at the intersection of the X2 axis and the surface of the sensor 111. Thus, the actuator 341 is fed back to rotate the optical probe in the θx direction and the θy direction. The rotation angle of this optical probe is measured by the angle measuring means 190.

【０１２７】次に前記３次元形状測定装置における合焦
状態判別光学系３６１の合焦状態判別法につき、以下説
明する。Next, the focusing state determination method of the focusing state determination optical system 361 in the three-dimensional shape measuring apparatus will be described below.

【０１２８】図１４において被測定物３３１で反射した
光は再び対物レンズ３０６、１／４波長板３０５を透過
する。このときすでに光プローブと被測定物３３１との
相対角度が０となるように設定しているので反射光は対
物レンズ３０６の同じ場所を透過することになる。この
ために対物レンズ３０６の球面収差の影響を受けない。In FIG. 14, the light reflected by the object to be measured 331 again passes through the objective lens 306 and the quarter-wave plate 305. At this time, since the relative angle between the optical probe and the DUT 331 has already been set to 0, the reflected light is transmitted through the same position of the objective lens 306. Therefore, it is not affected by the spherical aberration of the objective lens 306.

【０１２９】さて反射光はハーフミラー３０４で反射さ
れてセンサー１１１に到達するほか、ハーフミラー３０
４を透過してビームスプリッター３０３で反射され、セ
ンサーレンズ３０７を透過した後、センサー３０８上に
スポット像を結ぶ。The reflected light is reflected by the half mirror 304 and reaches the sensor 111, and the half mirror 30
After passing through 4, the beam is reflected by the beam splitter 303, and after passing through the sensor lens 307, a spot image is formed on the sensor 308.

【０１３０】センサー３０８面は被測定物３３１に対し
て完全合焦状態であるか、又は後ピント外れ状態、前ピ
ント外れ状態であるかを正しく認識させるためにＸ１軸
とセンサーレンズ３０７を出た収束光との交点からＸ１
軸方向の前後にやや離れた位置に設置するのが望まし
い。図１４にはセンサー３０８面が交点からややセンサ
ーレンズ３０７側へ離れた位置にある場合を示す。The X1 axis and the sensor lens 307 are projected in order to correctly recognize whether the surface of the sensor 308 is perfectly in focus with respect to the object 331 to be measured, or the rear defocused state or the front defocused state. X1 from the intersection with the convergent light
It is desirable to install them at positions slightly separated from each other in the axial direction. FIG. 14 shows a case where the surface of the sensor 308 is located slightly away from the intersection toward the sensor lens 307.

【０１３１】今、図１６（Ａ）に示すようにセンサー３
０８面上に結像したスポットをＨとする。信号処理法の
一つとしては例えばセンサー３０８に２次元エリアセン
サーを使用してセンサー３０８面に対して水平、垂直各
方向に輝度信号を積算し、おおむねガウシアンビーム形
状の波形からｅ-2の径を算出して、所定値との差を信号
とする方法がある。Now, as shown in FIG. 16 (A), the sensor 3
Let H be the spot imaged on the 08 plane. Horizontal to the sensor 308 surface by using the two-dimensional area sensor, for example sensor 308 as a signal processing method, by integrating the luminance signal in the vertical in each direction, generally the diameter of the e -2 from a Gaussian beam shape of the waveform Is calculated and the difference from the predetermined value is used as a signal.

【０１３２】又、別の方法としてセンサー３０８面上に
おいて実際に信号を取るエリアとしてＸ１軸とセンサー
３０８面との交点から半径ＲＩ内のＩ、重心Ｇから半径
ＲＪ１からＲＪ２までのＪというエリアを考える。ここ
では、ＲＩ＜ＲＪ１として示したがこれは任意で良い。As another method, as an area for actually picking up a signal on the surface of the sensor 308, an area I within the radius RI from the intersection of the X1 axis and the surface of the sensor 308, and an area J from the center of gravity G to the radii RJ1 to RJ2 are used. Think Although RI <RJ1 is shown here, this may be arbitrary.

【０１３３】次にスポットＨと２つのエリアが重なって
いる部分、つまりスポットＨによって信号を取るエリア
をＩ×Ｈ，Ｊ×Ｈとし、センサー３０８から出力される
信号を（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）としても良い。Next, the portion where the spot H and the two areas overlap, that is, the area where the signal is obtained by the spot H is I × H, J × H, and the signal output from the sensor 308 is (I × H−J ×). H) may be used.

【０１３４】より詳しく説明すると図１４は前述のとお
り被測定物３３１へ合焦が完全になされている場合であ
るが、その際、出力信号（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）の値を０に
しておく。つまり、合焦が完全になされている場合は合
焦状態判別光学系３６１から得られる出力信号（Ｉ×Ｈ
−Ｊ×Ｈ）の値は０となる。More specifically, FIG. 14 shows the case where the object 331 to be measured is completely focused as described above. At that time, the value of the output signal (I × H-J × H) is set to 0. Keep it. That is, when the focus is completely achieved, the output signal (I × H) obtained from the focus state determination optical system 361 is obtained.
The value of −J × H) becomes 0.

【０１３５】次に完全に合焦状態でない場合の光路図を
図１７，図１８に示す。図１７が後ピント外れ状態、図
１８が前ピント外れ状態である。これは両方ともに対物
レンズ３０６と被測定物３３１との距離が一定でなく、
反射光１７２が再び対物レンズ３０６を透過した後、光
束がＺ軸に対して平行にならないために生ずる。そのた
め、図１７，図１８に示すようにスポットＨの大きさは
完全合焦時と比較して小さくなったり、大きくなったり
する。Next, FIG. 17 and FIG. 18 show optical path diagrams when the subject is not perfectly in focus. FIG. 17 shows the rear defocused state, and FIG. 18 shows the front defocused state. In both cases, the distance between the objective lens 306 and the DUT 331 is not constant,
This occurs because the light flux is not parallel to the Z axis after the reflected light 172 passes through the objective lens 306 again. Therefore, as shown in FIGS. 17 and 18, the size of the spot H becomes smaller or larger than that at the time of perfect focusing.

【０１３６】本実施例においてはセンサー３０８からの
出力信号（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）は図１７（後ピント外れ状
態）の場合プラス、図１８（前ピント外れ状態）の場合
マイナスの値として出力される。In this embodiment, the output signal (I.times.H-J.times.H) from the sensor 308 is a plus value in FIG. 17 (rear defocus state) and a negative value in FIG. 18 (front defocus state). Is output.

【０１３７】従ってこの出力に基づき、これを０にする
ようにアクチュエーター１８２をサーボ駆動させること
により、自動フォーカシング（ＡＦ）が実現している。
この際のステージ１８１の移動量を測長手段１５０で測
定することにより、被測定物３３１の表面の光軸Ｚと交
わる位置を測定している。Therefore, based on this output, the automatic focusing (AF) is realized by servo-driving the actuator 182 so as to make it zero.
By measuring the amount of movement of the stage 181 at this time by the length measuring means 150, the position of the surface of the DUT 331 intersecting the optical axis Z is measured.

【０１３８】本実施例ではステージ１８１をＺ方向に駆
動させる場合について説明をしたが、光プローブをＺ方
向に駆動させ、その移動量を測長し、被測定物３３１表
面の光軸Ｚと交わる位置を測定しても良い。この位置測
定を繰り返すことにより３次元形状を測定している。In this embodiment, the case where the stage 181 is driven in the Z direction has been described. However, the optical probe is driven in the Z direction, the amount of movement thereof is measured, and the optical axis Z of the surface of the object 331 to be measured intersects. The position may be measured. The three-dimensional shape is measured by repeating this position measurement.

【０１３９】更に３次元形状をより精度良く測定する方
法について説明する。Further, a method of measuring the three-dimensional shape with higher accuracy will be described.

【０１４０】前述のとおり光プローブと被測定物３３１
とのなす相対角度θｘ，θｙが傾斜角測定光学系１６２
から検出され、０になるようにアクチュエーター３４１
にフィードバックされ光プローブが被測定物３３１への
集光点を中心にして回転する。このとき図１６（Ｂ）に
示すように回転の軌跡１９６は理論上の軌跡１９５と異
なり、完全な球面になっていないと考えられる。As described above, the optical probe and the DUT 331.
The relative angles θx and θy formed by the tilt angle measuring optical system 162
Actuator 341 so that
Is fed back to the optical probe, and the optical probe rotates about the light condensing point on the DUT 331. At this time, as shown in FIG. 16 (B), the locus of rotation 196 is different from the theoretical locus 195 and is not considered to be a perfect spherical surface.

【０１４１】そこで予め光プローブの実際の軌跡を例え
ば触針式プローブを用いた方法などで求めておき、又光
プローブの回転角を測角手段１９０で求め、回転角θ
ｘ，θｙと理論上と実際の軌跡のずれ量δＬを表にして
おき、後に３次元形状のデータを補正することによっ
て、より精度の良い３次元形状を得ている。Therefore, the actual trajectory of the optical probe is obtained in advance by, for example, a method using a stylus probe, and the rotation angle of the optical probe is obtained by the angle measuring means 190 to obtain the rotation angle θ.
A more accurate three-dimensional shape is obtained by making a table of x, θy and the deviation amount δL between the theoretical and actual trajectories, and correcting the three-dimensional shape data later.

【０１４２】[0142]

【発明の効果】本発明によれば以上のように傾斜角測定
光学系によって得られた情報からレンズの収差による誤
差情報を求め、その誤差情報で合焦状態判別光学系によ
って得られた距離情報を補正することにより、又は傾斜
角測定光学系によって光プローブと被測定物との相対的
角度を検出し、この相対角度を調整するように光プロー
ブを回転させ、その後に合焦状態判別光学系によって合
焦状態を判別することにより、又は光プローブの回転角
度と光プローブの実際の回転の軌跡と理論上の軌跡との
ずれ量を予め表にしておき、この表を参照し得られた３
次元形状を補正することにより従来の光プローブを使用
した３次元形状測定装置では対物レンズに残存する収差
の影響で、傾斜角の大きい被測定物に対しては計測精度
が劣化するという欠点を改良し、高精度に３次元形状を
測定することができる３次元形状測定装置及びそれを用
いた３次元形状測定方法を達成することができる。According to the present invention, the error information due to the aberration of the lens is obtained from the information obtained by the tilt angle measuring optical system as described above, and the distance information obtained by the focusing state determination optical system is obtained from the error information. The relative angle between the optical probe and the object to be measured is detected by correcting the tilt angle or by the tilt angle measuring optical system, the optical probe is rotated so as to adjust this relative angle, and then the focusing state determination optical system is detected. By determining the in-focus state by, or by making a table in advance the amount of deviation between the rotation angle of the optical probe, the actual rotation trajectory of the optical probe, and the theoretical trajectory, and referring to this table
By correcting the three-dimensional shape, in the three-dimensional shape measuring apparatus using the conventional optical probe, the defect that the measurement accuracy is deteriorated for the object to be measured having a large inclination angle due to the influence of the aberration remaining in the objective lens is improved. However, it is possible to achieve a three-dimensional shape measuring apparatus and a three-dimensional shape measuring method using the three-dimensional shape measuring apparatus that can measure a three-dimensional shape with high accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】 本発明の３次元形状測定装置の実施例１の要
部概略図FIG. 1 is a schematic view of a main part of a first embodiment of a three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention.

【図２】 図１の一部分の説明図FIG. 2 is an explanatory view of a part of FIG.

【図３】 図１の信号処理の出力波形の説明図3 is an explanatory diagram of an output waveform of the signal processing of FIG.

【図４】 図１の一部分の説明図FIG. 4 is an explanatory view of a part of FIG.

【図５】 図１の一部分の説明図5 is an explanatory view of a part of FIG.

【図６】 本発明の３次元形状測定装置の実施例２の要
部概略図FIG. 6 is a schematic view of the essential portions of Embodiment 2 of the three-dimensional shape measuring apparatus of the invention.

【図７】 図６における非合焦のときの説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a non-focus state in FIG.

【図８】 図６における非合焦のときの説明図FIG. 8 is an explanatory diagram of a state of being out of focus in FIG.

【図９】 本発明の３次元形状測定装置の実施例３の要
部概略図FIG. 9 is a schematic view of the essential portions of Embodiment 3 of the three-dimensional shape measuring apparatus of the invention.

【図１０】 図９における非合焦のときの説明図FIG. 10 is an explanatory diagram of a non-focus state in FIG. 9.

【図１１】 図９における非合焦のときの説明図FIG. 11 is an explanatory diagram of a non-focus state in FIG. 9.

【図１２】 本発明の３次元形状測定装置の実施例４の
要部概略図FIG. 12 is a schematic view of the essential portions of Embodiment 3 of the three-dimensional shape measuring apparatus of the invention.

【図１３】 図１２の一部分の説明図13 is an explanatory view of a part of FIG.

【図１４】 本発明の３次元形状測定装置の実施例５の
要部概略図FIG. 14 is a schematic view of the essential portions of Embodiment 3 of the three-dimensional shape measuring apparatus of the invention.

【図１５】 本発明の３次元形状測定装置の実施例５の
要部外観図FIG. 15 is an external view of an essential part of Example 3 of the three-dimensional shape measuring apparatus of the invention.

【図１６】 図１４の一部分の説明図FIG. 16 is an explanatory diagram of a part of FIG.

【図１７】 図１４の一部分の説明図FIG. 17 is an explanatory diagram of a part of FIG.

【図１８】 図１４の一部分の説明図FIG. 18 is an explanatory diagram of a part of FIG.

【図１９】 従来の３次元形状測定装置の要部概略図FIG. 19 is a schematic view of a main part of a conventional three-dimensional shape measuring apparatus.

【図２０】 図１９の一部分の説明図FIG. 20 is an explanatory diagram of a part of FIG.

【図２１】 図１９の一部分の説明図FIG. 21 is an explanatory diagram of a part of FIG.

【符号の説明】 ３６１ 合焦状態判別光学系 １６２ 傾斜角測定光学系 ３０１ 光源 ３０２ コリメーターレンズ ３０３ 偏光ビームスプリッター ３０４ ハーフミラー ３０５ １／４波長板 ３０６ 対物レンズ ３０８ 第１受光手段 １１１ 第２受光手段 ３２１ ケーシング ３４１ アクチュエーター ３５０ 測長手段 ３３１ 被測定物[Explanation of reference numerals] 361 Focusing state determination optical system 162 Tilt angle measurement optical system 301 Light source 302 Collimator lens 303 Polarizing beam splitter 304 Half mirror 305 Quarter wave plate 306 Objective lens 308 First light receiving means 111 Second light receiving means 321 Casing 341 Actuator 350 Length measuring means 331 Object to be measured

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 光プローブ内の投光手段からの光束を被
測定物に投射し、該被測定物からの反射光束を第１受光
手段で受光し、該第１受光手段からの信号を利用して該
光プローブの所定面から該被測定物までの距離を検出す
る合焦状態判別系と、該被測定物からの反射光束を第２
受光手段で受光し、該第２受光手段からの信号を利用し
て該投光手段からの光束の該被測定物への入射面の傾き
を検出する傾斜角測定系とを有し、該合焦状態判別系と
傾斜角測定系で得られる信号を利用して該被測定物の３
次元形状を求める際、該合焦状態判別系は該傾斜角測定
系で得られる信号に基づいて合焦情報を補正する補正手
段を有していることを特徴とする３次元形状測定装置。1. A light beam from a light projecting means in an optical probe is projected onto an object to be measured, a reflected light beam from the object is received by a first light receiving means, and a signal from the first light receiving means is used. Then, a focusing state determination system for detecting the distance from the predetermined surface of the optical probe to the object to be measured, and a reflected light beam from the object to be measured are provided as a second
And a tilt angle measuring system for detecting the tilt of the incident surface of the light flux from the light projecting means on the object to be measured by using the signal from the second light receiving means. Using the signals obtained by the focus state determination system and the tilt angle measurement system,
A three-dimensional shape measuring apparatus characterized in that, when obtaining a three-dimensional shape, the in-focus state determination system has a correction means for correcting in-focus information based on a signal obtained by the tilt angle measurement system. 【請求項２】 前記合焦状態判別系の少なくとも一つの
要素は前記投光手段の光軸方向に移動可能となっている
ことを特徴とする請求項１の３次元形状測定装置。2. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein at least one element of the focusing state determination system is movable in the optical axis direction of the light projecting means. 【請求項３】 前記投光手段は前記被測定物に光束を投
射すると共に該被測定物からの反射光束を集光する対物
レンズを有しており、前記傾斜角測定系は該被測定物か
らの反射光束の該対物レンズへの入射情報を求めてお
り、前記補正手段は該傾斜角測定系で得られた該対物レ
ンズへの入射情報に基づいて合焦情報を補正しているこ
とを特徴とする請求項１の３次元形状測定装置。3. The light projecting means has an objective lens for projecting a light beam onto the object to be measured and condensing a light beam reflected from the object to be measured, and the tilt angle measuring system includes the object to be measured. The incident information of the reflected light flux from the lens on the objective lens is obtained, and the correction means corrects the focus information based on the incident information on the objective lens obtained by the tilt angle measurement system. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, which is characterized in that. 【請求項４】 光プローブ内の投光手段からの光束を被
測定物に投射し、該被測定物からの反射光束を第２受光
手段で受光し、該第２受光手段からの信号を利用して該
被測定物への光束の入射面の傾きを検出し、該傾き検出
に基づいて入射面と光プローブとの相対的な傾斜角を一
定に調整させ、次いで該被測定物からの反射光束を第１
受光手段で受光し、該第１受光手段からの信号を利用し
て該光プローブの所定面から該被測定物までの距離情報
を検出し、該被測定物の３次元形状を求めたことを特徴
とする３次元形状測定方法。4. A light beam from a light projecting means in the optical probe is projected onto an object to be measured, a reflected light beam from the object is received by a second light receiving means, and a signal from the second light receiving means is used. Then, the inclination of the incident surface of the light flux to the DUT is detected, and the relative inclination angle between the incident surface and the optical probe is adjusted to be constant based on the inclination detection, and then the reflection from the DUT is performed. Luminous flux first
The light receiving means receives the light, the signal from the first light receiving means is used to detect the distance information from the predetermined surface of the optical probe to the measured object, and the three-dimensional shape of the measured object is obtained. A characteristic three-dimensional shape measuring method. 【請求項５】 前記光プローブの一部にエンコーダを設
け、該エンコーダにより該光プローブの回転角を検出
し、該回転角における理論上の光プローブの位置と実際
の光プローブの位置とのずれ量を予め求めておいたテー
ブルを参照して求め、該ずれ量に基づいて前記距離情報
を補正していることを特徴とする請求項４の３次元形状
測定方法。5. An encoder is provided in a part of the optical probe, the rotation angle of the optical probe is detected by the encoder, and the deviation between the theoretical position of the optical probe and the actual position of the optical probe at the rotation angle. The three-dimensional shape measuring method according to claim 4, wherein the amount is obtained by referring to a table obtained in advance, and the distance information is corrected based on the shift amount.
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