特許 5965167 白色光干渉測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5965167

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月3日

(54)【発明の名称】白色光干渉測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 9/02 20060101AFI20160721BHJP

   G01B 11/24 20060101ALI20160721BHJP

【ＦＩ】

   G01B9/02

   G01B11/24 D

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-59993(P2012-59993)

(22)【出願日】2012年3月16日

(65)【公開番号】特開2013-195114(P2013-195114A)

(43)【公開日】2013年9月30日

【審査請求日】2015年2月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100080458

【弁理士】

【氏名又は名称】高矢 諭

(74)【代理人】

【識別番号】100076129

【弁理士】

【氏名又は名称】松山 圭佑

(74)【代理人】

【識別番号】100089015

【弁理士】

【氏名又は名称】牧野 剛博

(72)【発明者】

【氏名】宇佐美 敦司

(72)【発明者】

【氏名】長濱 龍也

【審査官】 ▲うし▼田 真悟

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１０１８９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２３９２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０８２０６６（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特表２０１２−５１５３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−００５８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３０９４２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ９／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

白色光束を出射する白色光源と、該白色光束を反射させるビームスプリッタと、該ビームスプリッタで反射された該白色光束を光軸の方向で集光して測定ワークに照射するとともに該測定ワークから反射して得られる測定光束と該測定ワークに集光される該白色光束から分岐して得られる参照光束とを干渉させる干渉対物レンズと、を有する白色光干渉測定装置において、
前記ビームスプリッタは、無偏光ビームスプリッタとされ、
前記白色光源と該ビームスプリッタとの間に、前記白色光束を円偏光に補正する偏光板及び１／４波長板が配置されることを特徴とする白色光干渉測定装置。

【請求項2】

前記ビームスプリッタは、ガラス貼り合わせビームスプリッタ、或いはキューブビームスプリッタとされることを特徴とする請求項１に記載の白色光干渉測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、白色光干渉測定装置に係り、特に、測定ワークの配置方向の違いによって生じる測定値の差異を低減し、測定精度及び測定効率の向上を可能とする白色光干渉測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光の干渉によって生じる干渉縞の強度情報を用いて測定ワークの三次元形状を精密に測定する干渉測定装置において、光源に広帯域光（白色光）を用いる白色光干渉測定装置が広く知られている。例えば特許文献１に示される白色光干渉測定装置の概略構成を図８に示す。図８の白色光干渉測定装置は、白色光束８を出射する白色光源６と、白色光束８を反射させるビームスプリッタ１６と、ビームスプリッタ１６で反射された白色光束８を光軸Ｏの方向で集光して測定ワーク２に照射するとともに測定ワーク２から反射して得られる測定光束と測定ワーク２に集光される白色光束８から分岐して得られる参照光束とを干渉させる干渉対物レンズ２０と、を有する。なお、符号１０、２２、２４、２６はそれぞれ、コリメートレンズ、干渉光束、結像レンズ、受光素子を示している。

【0003】

ここで、白色光の干渉を用いることで、高さ方向（Ｚ方向）において高い分解能を得られることを、図９（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。なお、図９（Ａ）はＺ方向における白色光を構成する波長毎の干渉縞の強度分布を示し、図９（Ｂ）はＺ方向における各波長から合成された干渉縞の強度分布を示している。図９（Ａ）に示す如く、干渉対物レンズ２０のＺ方向の焦点位置（Ｚ＝０）では各波長の干渉縞の最大値が重なり合い、焦点位置から離れるにつれて各波長の位相がずれていく。このため、図９（Ｂ）に示す如く、焦点位置において合成される干渉縞の強度が最大となり、焦点位置から離れるにつれて振動しながら次第にその強度が小さくなっていく。従って、白色光干渉測定装置では、干渉対物レンズ２０の視野内の各位置で強度が最大となるＺ方向の位置を検出することで、干渉対物レンズ２０の視野内における測定ワーク２の三次元の形状を高精度に測定することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−８５４１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、図８に示したような白色光干渉測定装置で測定ワーク２を測定した場合には、測定ワーク２の配置方向の違いによって測定値に差異が発生するおそれがあることを発明者等は見出した。例えば、図１０に示すような微細なラインＬ（幅数μｍ）とスペースＳ（幅数μｍ）からなるサンプル（以下Ｌ／ＳサンプルＬＳＳ）を測定ワーク２として測定した場合には、図１０（Ａ）の例えばＬ／ＳサンプルＬＳＳのＰ方向を白色光干渉測定装置の特定の方向（例えばＸ方向）と一致させたときと、Ｌ／ＳサンプルＬＳＳのＱ方向を白色光干渉測定装置の特定の方向（例えばＸ方向）と一致させたときとでは、測定値に差異が生じる（光学分解能若しくは受光素子サイズ程度の差異）。

【0006】

これを解決するには、測定ワーク２を回転させる機構を測定ワーク２が配置される位置に設けてその機構で測定ワーク２の配置を調整することが考えられる。しかし、その場合には、装置のコストアップ及び配置調整のための測定効率の低下が生じてしまうこととなる。

【0007】

本発明は、前記問題点を解決するべくなされたもので、測定ワークの配置方向の違いによって生じる測定値の差異を低減し、測定精度及び測定効率の向上を可能とする白色光干渉測定装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本願の請求項１に係る発明は、白色光束を出射する白色光源と、該白色光束を反射させるビームスプリッタと、該ビームスプリッタで反射された該白色光束を光軸の方向で集光して測定ワークに照射するとともに該測定ワークから反射して得られる測定光束と該測定ワークに集光される該白色光束から分岐して得られる参照光束とを干渉させる干渉対物レンズと、を有する白色光干渉測定装置において、前記ビームスプリッタは、無偏光ビームスプリッタとされ、前記白色光源と該ビームスプリッタとの間に、前記白色光束を円偏光に補正する偏光板及び１／４波長板が配置されたことにより、前記課題を解決したものである。

【0011】

本願の請求項２に係る発明は、前記ビームスプリッタを、ガラス貼り合わせビームスプリッタ、或いはキューブビームスプリッタにしたものである。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、測定ワークの配置方向の違いによって生じる測定値の差異を低減し、測定精度及び測定効率の向上が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の第１実施形態に係る白色光干渉測定装置の概略模式図

【図2】同じく白色光干渉測定装置の干渉対物レンズの概略模式図（ミラウ型（Ａ）、マイケルソン型（Ｂ））

【図3】ワイヤグリッド偏光子の振る舞いを示す模式図

【図4】偏光板や１／４波長板を備えた顕微鏡装置を示す模式図

【図5】本発明の第２実施形態に係る白色光干渉測定装置の概略模式図

【図6】本発明の第３実施形態に係る白色光干渉測定装置の概略模式図

【図7】本発明の第４実施形態に係る白色光干渉測定装置の概略模式図

【図8】従来技術に係る白色光干渉測定装置の概略模式図

【図9】白色光干渉測定装置のＺ方向分解能を説明するための模式図

【図10】従来技術に係る白色光干渉測定装置で、配置方向の違いにより測定値に差異が生じる測定ワークの一例を示す模式図（上面図（Ａ）とＰ方向に沿う断面図（Ｂ））

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

【0015】

最初に、第１実施形態に係る白色光干渉測定装置の構成について、主に図１、図２を用いて説明する。

【0016】

白色光干渉測定装置１００は、鏡筒１０４内に、白色光源１０６と、コリメートレンズ１１０と、偏光補正手段である偏光補正部１１２と、干渉対物レンズ１２０と、結像レンズ１２４と、受光素子１２６と、を備える。なお、測定ワーク１０２は、例えば図示せぬＸＹステージ上でＺ方向に対して２次元に走査可能とされている。そして、鏡筒１０４は、図示せぬＺステージ上で移動可能とされている。ＸＹステージとＺステージとは、図示せぬ架台上に固定され、やはり図示せぬ制御装置により制御される。即ち、白色光干渉測定装置１００は、干渉対物レンズ１２０の視野に限定されずに測定ワーク１０２の３次元形状を測定することができる。なお、ＸＹステージは必須構成ではなく、Ｚステージで測定ワークを移動させるようにしてもよい。

【0017】

前記白色光源１０６は、図１に示す如く、白色光束１０８を出射する。白色光源１０６は、例えば自然光を放射可能なハロゲン光源とされている。白色光束１０８は、拡散光束であり、光波の直交する２つの偏光成分（白抜き点線矢印で示すＰ偏光Ｐｐｌと白抜き矢印で示すＳ偏光Ｓｐｌ）の位相関係がでたらめな状態（非偏光）とされている。前記コリメートレンズ１１０は、図１に示す如く、入射する白色光束１０８を平行光束にコリメートする。なお、コリメートレンズ１１０から出射された時点の白色光束１０８は、非偏光のままとされている。

【0018】

前記偏光補正部１１２は、図１に示す如く、コリメートレンズ１１０と干渉対物レンズ１２０との間に配置され、偏光板１１４とビームスプリッタ１１６と１／４波長板１１８とを有する。偏光板１１４は、コリメートレンズ１１０から出射された非偏光の白色光束１０８を直線偏光に変換する。即ち、偏光板１１４によりＰ偏光ＰｐｌとＳ偏光Ｓｐｌとを、予め偏りが生じた状態としておく。なお、偏光板１１４は、コリメートレンズ１１０と白色光源１０６との間に配置されていてもよい。ビームスプリッタ１１６は、直線偏光とされた白色光束１０８を光軸Ｏの干渉対物レンズ１２０の方向に反射する。ビームスプリッタ１１６の白色光束１０８の反射面には誘電体膜が蒸着（形成）されており、ビームスプリッタ１１６を一般的な照明光学系に用いられるものとすることができる。このため、ビームスプリッタ１１６で白色光束１０８を反射した際には、Ｐ偏光Ｐｐｌの減衰がＳ偏光Ｓｐｌの減衰よりも多く、Ｐ偏光ＰｐｌとＳ偏光Ｓｐｌとに偏りを生じさせる。しかし、偏光板１１４によりＰ偏光ＰｐｌとＳ偏光Ｓｐｌとに予め偏りが生じた状態としているので、ビームスプリッタ１１６の反射による偏光成分の偏りの影響を低減することができる。１／４波長板１１８は、直交する２つの偏光成分の間に９０度の位相差を生じさせる複屈折素子である。このため、１／４波長板１１８は、直線偏光とされた白色光束１０８を、ビームスプリッタ１１６で反射されて円偏光Ｃｐｌ（白抜き矢印のついたリング）の白色光束１０８に変換することができる。即ち、偏光補正部１１２は、干渉対物レンズ１２０に入射する白色光束１０８をＰ偏光ＰｐｌとＳ偏光Ｓｐｌとに偏りのない状態の円偏光に補正することができる。

【0019】

前記干渉対物レンズ１２０は、図１に示す如く、１／４波長板１１８を介してビームスプリッタ１１６で反射された白色光束１０８を光軸Ｏの方向で集光して測定ワーク１０２に照射する。ここで、干渉対物レンズ１２０は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、対物レンズＯＬと参照鏡ＲＭとビームスプリッタＢＳ（若しくはプリズムＰＳ）を備える。対物レンズＯＬは平行光束（白色光束１０８）を集光して測定ワーク１０２に照射する。このため、測定ワーク１０２に集光される白色光束１０８では、Ｐ偏光ＰｐｌとＳ偏光Ｓｐｌとに偏りのない状態となる。ビームスプリッタＢＳ（若しくはプリズムＰＳ）は、測定ワーク１０２に集光される平行光束（白色光束１０８）の一部を反射させて参照光束を生じさせている（即ち、参照光束は、集光される白色光束１０８から分岐して得られる）。参照鏡ＲＭは、参照光束の焦点位置に配置され参照光束を反射する。反射した参照光束は、ビームスプリッタＢＳ（若しくはプリズムＰＳ）の位置で、測定ワーク１０２から反射して得られる光束である測定光束と結合される。測定光束と参照光束とが結合することで得られる干渉光束１２２は、光軸Ｏに沿ってビームスプリッタ１１６の方向に戻ることとなる。なお、図２（Ａ）は、参照鏡ＲＭとビームスプリッタＢＳとが光軸Ｏの上に配置されたミラウ型の干渉対物レンズ１２０であり、主に高倍率とする際に使用することができる。図２（Ｂ）は、参照鏡ＲＭが光軸Ｏから外側に配置されプリズムＰＳが光軸Ｏの上に配置されたマイケルソン型の干渉対物レンズ１２０であり、ミラウ型に比べて主に低倍率とする際に使用することができる。

【0020】

前記結像レンズ１２４は、図１に示す如く、ビームスプリッタ１１６を透過する干渉光束１２２を結像する。前記受光素子１２６は、２次元に画素が並んだ受光素子であり、結像レンズ１２４により結像された干渉縞を受光する。

【0021】

なお、干渉光束１２２による干渉縞はいわば測定ワーク１０２と参照鏡ＲＭとの形状の違いで生じるものである。このため、本実施形態においては、測定ワーク１０２に集光される白色光束１０８が円偏光で質の高い照明光束とされていることで、均質な干渉光束１２２を得ることができる。即ち、本実施形態において、測定ワーク１０２に集光される白色光束１０８を円偏光に補正するのは、干渉対物レンズ１２０から受光素子１２６の間で迷光や反射光の発生を回避するためのものではなく、質の高い照明光束を得るためのものである。仮に、前述のような迷光や反射光が生じても白色光干渉の原理を用いた本実施形態の白色光干渉測定装置１００では干渉縞のコントラストに大きな影響を受けることなく測定ワーク１０２の計測を高い分解能で実現することが可能となる（このため、後述するキューブビームスプリッタを用いる第２実施形態の存在意義もある）。

【0022】

ここで、従来技術の図８で示したビームスプリッタ１６は、一般に本実施形態のビームスプリッタ１１６と同様にその反射面に誘電体膜が蒸着されている構成である。このため、従来技術では、干渉対物レンズ２０に入射する白色光束８のＰ偏光ＰｐｌとＳ偏光Ｓｐｌとで偏りが生じている。それを補正することなくそのままの状態で、図１０に示すようなＬ／ＳサンプルＬＳＳを測定すると、図３に示すようなワイヤグリッド偏光子ＷＧに光を照射したのと同じような現象が生じると考えられる（ワイヤグリッド偏光子ＷＧでは、入射光束ＩＬＦのＰ偏光Ｐｐｌを透過させ、反射光束ＯＬＦにＳ偏光Ｓｐｌのみが含まれる）。即ち、従来技術において、Ｌ／ＳサンプルＬＳＳに照射される白色光束８ではＰ偏光ＰｐｌとＳ偏光Ｓｐｌとで偏りがすでに存在することから、Ｌ／ＳサンプルＬＳＳから反射して得られる測定光束の強度には、Ｌ／ＳサンプルＬＳＳの配置方向の違いによる測定値の差異が発生すると考えられる。

【0023】

これに対し、本実施形態においては、従来技術と同じようにビームスプリッタ１１６に誘電体膜が蒸着されているような構成でありながら、偏光補正部１１２の偏光板１１４及び１／４波長板１１８により、対物干渉レンズ１２０にＰ偏光ＰｐｌとＳ偏光Ｓｐｌとに偏りのない円偏光の白色光束１０８を入射させることができる。このため、測定ワーク１０２が図３で示すワイヤグリッド偏光子ＷＧのようなものであっても、その配置方向の違いにより測定値に差異を生じることを低減することができる。従って、測定ワーク１０２を回転させる機構やそのための調整工程が必要なく、且つ測定精度及び測定効率の向上が可能となる。

【0024】

また、本実施形態においては、ビームスプリッタ１１６が従来と同じ構成でよく、特殊なビームスプリッタではないので、白色光干渉測定装置１００を安価に構成することができる。

【0025】

なお、像観察を主体とする顕微鏡装置において、図４に示すように、偏光板６４、６９や１／４波長板６８を組み合わせて配置し、測定ワークに円偏光の照明光束ＩＦを入射させる技術が存在する。具体的に図４では、対物レンズＯＬと測定ワークとの間に１／４波長板６８を配置し、且つ結像レンズ７４の手前に偏光板（アナライザ）６９を追加配置している。しかし、このような配置の目的は、受光素子７６による観察像に直接的且つ大きく影響を与えてしまうような、主に（本実施形態の干渉対物レンズ１２０ではない）対物レンズ表面からの（位相が反転した）反射光束ＲＬをカットするためのものである。即ち、図４に示すような顕微鏡装置は、本実施形態のような白色光干渉の原理を利用する技術とは思想やそれに基づく構成も異なっている。

【0026】

本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことはいうまでもない。

【0027】

例えば、第１実施形態においては、偏光補正部１１２が、誘電体膜が形成されたビームスプリッタ１１６と、コリメートレンズ１１０とビームスプリッタ１１６との間に配置される偏光板１１４と、ビームスプリッタ１１６と干渉対物レンズ１２０との間に配置される１／４波長板１１８と、を備えていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５に示す第２実施形態の如くであってもよい。なお、ここでは、第１実施形態と異なる偏光補正部２１２について説明し、それ以外の説明については重複を避けるため省略する。

【0028】

第２実施形態においては、図５に示す如く、偏光補正部２１２が、無偏光ビームスプリッタとされたビームスプリッタ２１６と、ビームスプリッタ２１６とコリメートレンズ２１０との間に配置される偏光板２１４及び１／４波長板２１８と、を備える（偏光板２１４及び１／４波長板２１８は、白色光源２０６とコリメートレンズ２１０との間に配置されていてもよい）。なお、ビームスプリッタ２１６は、キューブビームスプリッタであり、白色光束２０８の反射面には金属膜が形成されている。即ち、コリメートレンズ２１０から出射された非偏光の白色光束２０８を偏光板２１４で一旦直線偏光とし、すぐに１／４波長板２１８で円偏光Ｃｐｌとしている。ビームスプリッタ２１６では無偏光とされているので、ビームスプリッタ２１６から出射される白色光束２０８も円偏光Ｃｐｌを保った状態となる。即ち、Ｐ偏光ＰｐｌとＳ偏光Ｓｐｌとに偏りのない白色光束２０８を干渉対物レンズ２２０に入射させることができる。

【0029】

第２実施形態においては、光軸Ｏの上の光学素子を除く、白色光源２０６から１／４波長板２１８までの構成で効果を得られるので、いわば照明系のみの調整だけが必要となり、その調整が容易である。

【0030】

なお、図６に示す第３実施形態の如く、無偏光ビームスプリッタとされたビームスプリッタ３１６はガラス貼り合わせビームスプリッタとされていてもよい。この場合も白色光束３０８の反射面には金属膜が形成されている。第３実施形態のビームスプリッタ３１６では、キューブビームスプリッタのようにその裏面反射でフレア（不要な光）を発生させ受光素子３２６で受光される干渉縞のコントラスト低下を招くおそれを低減することができる。

【0031】

上記実施形態においては、コリメートレンズと結像レンズとが用いられていたが、これらを用いないように図７に示す第４実施形態の如く白色光干渉測定装置を構成してもよい。ここでは、第１実施形態と異なり、干渉対物レンズ４２０が直接的に白色光源４０６及び受光素子４２６の位置で焦点を結ぶようにされている。第４実施形態においては、使用する光学素子を少なくできるので、より低コストで白色光干渉測定装置を構成することができる。

【産業上の利用可能性】

【0032】

本発明は、ビームスプリッタで白色光束を反射させて干渉対物レンズに入射させる白色光干渉を利用する画像測定装置（光学顕微鏡を含む）に広く適用することが可能である。

【符号の説明】

【0033】

２、１０２…測定ワーク
６、１０６、２０６、３０６、４０６…白色光源
８、１０８、２０８、３０８、４０８…白色光束
１０、１１０、２１０、３１０…コリメートレンズ
１６、６６、１１６、２１６、３１６、４１６…ビームスプリッタ
２０、１２０、２２０、３２０、４２０…干渉対物レンズ
２２、１２２、２２２、３２２、４２２…干渉光束
２４、７４、１２４、２２４、３２４…結像レンズ
２６、７６、１２６、２２６、３２６、４２６…受光素子
６４、６９、１１４、２１４、３１４、４１４…偏光板
６８、１１８、２１８、３１８、４１８…１／４波長板
１００…白色光干渉測定装置
１０４…鏡筒
１１２、２１２、３１２、４１２…偏光補正部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】