(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】
(24)【登録日】2024-09-25
(45)【発行日】2024-10-03
(54)【発明の名称】レーザ共焦点顕微鏡
(51)【国際特許分類】
G02B 21/00 20060101AFI20240926BHJP
G02B 21/36 20060101ALI20240926BHJP
G02B 21/26 20060101ALI20240926BHJP
G02B 21/06 20060101ALI20240926BHJP
【ＦＩ】
G02B21/00
G02B21/36
G02B21/26
G02B21/06
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2020135359
(22)【出願日】2020-08-07
(65)【公開番号】P2022030997
(43)【公開日】2022-02-18
【審査請求日】2023-06-15
(73)【特許権者】
【識別番号】000129253
【氏名又は名称】株式会社キーエンス
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山下 純平
【審査官】瀬戸 息吹
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第０４８４４６１７（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２００６－１３８８５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－３１０５１２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ １９／００ － ２１／３６
Ｇ０１Ｂ １１／００ － １１／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
測定対象物を載置するためのステージと、前記ステージ上に載置された測定対象物に、対物レンズを介してレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定対象物からのレーザ光の反射光を、前記対物レンズを有する共焦点光学系を介して受光するとともに、該反射光の受光強度に応じた受光信号を生成する受光部と、
前記受光部によって生成された受光信号に基づいて、前記測定対象物の表面形状を測定する測定部と、
前記ステージ上に載置された前記測定対象物に、対物レンズを介して白色光を照射する白色光源と、
前記測定対象物からの白色光の反射光を受光し、該白色光の反射光に基づいて前記測定対象物のカメラ画像を生成するカメラと、
波長毎の受光強度に応じた受光信号を生成する分光器と、
前記白色光源から照射される白色光と、前記レーザ光源から照射されるレーザ光と、を同軸化する合流部と、
前記合流部と前記対物レンズとの間の光路上に配置され、前記測定対象物からの白色光の反射光を、前記カメラに向かう光と、前記分光器に向かう光とに分岐させる光分岐部と、を備え、
前記測定部は、前記受光部によって生成された受光信号に基づいて前記測定対象物の表面形状を測定するのに加えて、前記分光器によって生成された受光信号に基づいて前記測定対象物の膜厚を測定する
ことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
【請求項2】
請求項１に記載されたレーザ共焦点顕微鏡において、前記対物レンズに対する前記ステージの高さ位置を相対的に変化させる駆動部と、
前記対物レンズを着脱可能に構成された着脱機構と、
前記ステージまたは前記対物レンズの各高さ位置で前記受光部によって生成された受光信号に基づいて、前記対物レンズの焦点が前記測定対象物の表面に一致する合焦位置を算出する演算部と、
前記駆動部を作動させることで前記ステージまたは前記対物レンズの高さ位置を相対的に調整することによって、該高さ位置を前記演算部によって算出された合焦位置に一致させる焦点調整部と、を備え、
前記共焦点光学系は、前記着脱機構に装着される前記対物レンズを交換することで、前記測定対象物の拡大倍率を変更可能に構成され、
前記測定部は、前記測定対象物の各拡大倍率において、前記測定対象物の膜厚を測定する
ことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
【請求項3】
測定対象物を載置するためのステージと、
前記ステージ上に載置された測定対象物に、対物レンズを介してレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定対象物からのレーザ光の反射光を、前記対物レンズを有する共焦点光学系を介して受光するとともに、該反射光の受光強度に応じた受光信号を生成する受光部と、
前記受光部によって生成された受光信号に基づいて、前記測定対象物の表面形状を測定する測定部と、
前記ステージ上に載置された前記測定対象物に、対物レンズを介して白色光を照射する白色光源と、
前記測定対象物からの白色光の反射光を受光し、該白色光の反射光に基づいて前記測定対象物のカメラ画像を生成するカメラと、
波長毎の受光強度に応じた受光信号を生成する分光器と、
前記測定対象物からの白色光の反射光を、前記カメラに向かう光と、前記分光器に向かう光とに分岐させる光分岐部と、
前記光分岐部を含み、前記対物レンズを着脱可能に構成されたアダプタと、
前記対物レンズ又は前記アダプタを着脱可能に構成された着脱機構と、を備え、
前記測定部は、前記受光部によって生成された受光信号に基づいて前記測定対象物の表面形状を測定するのに加えて、前記分光器によって生成された受光信号に基づいて前記測定対象物の膜厚を測定する
ことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
【請求項4】
請求項３に記載されたレーザ共焦点顕微鏡において、前記共焦点光学系は、前記着脱機構に装着される前記対物レンズを交換することで、前記測定対象物の拡大倍率を変更可能に構成される
ことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
【請求項5】
請求項３又は４に記載されたレーザ共焦点顕微鏡において、前記アダプタは、該アダプタとは別体の前記対物レンズを着脱可能に構成され、
前記対物レンズは、前記アダプタを介して前記着脱機構に装着可能に構成される
ことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
【請求項6】
請求項３から５のいずれか１項に記載されたレーザ共焦点顕微鏡において、前記着脱機構は、所定の中心軸まわりに回転するレボルバとして構成され、
前記レボルバは、前記中心軸を取り囲むように、前記対物レンズおよび前記アダプタを取付可能に構成される
ことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
【請求項7】
請求項２に記載されたレーザ共焦点顕微鏡において、前記白色光源から照射された白色光を、所定の参照面に向かう参照光と、前記測定対象物に向かう測定光と、に分岐させる分岐光学系と、
前記参照面によって反射された参照光と、前記測定対象物によって反射された測定光と、を受光して干渉画像を撮像する撮像部と、を備え、
前記測定部は、前記合焦位置を含んだ高さ範囲内に定められる複数の高さ位置において前記撮像部により撮影された複数の干渉画像に基づいて、前記測定対象物の表面形状を測定する
ことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
【請求項8】
測定対象物を載置するためのステージと、
前記ステージ上に載置された測定対象物に、対物レンズを介してレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定対象物からのレーザ光の反射光を、前記対物レンズを有する共焦点光学系を介して受光するとともに、該反射光の受光強度に応じた受光信号を生成する受光部と、
前記ステージ上に載置された前記測定対象物に、対物レンズを介して白色光を照射する白色光源と、
前記測定対象物からの白色光の反射光を受光し、該白色光の反射光に基づいて前記測定対象物のカメラ画像を生成するカメラと、
波長毎の受光強度に応じた受光信号を生成する分光器と、
前記測定対象物からの白色光の反射光を、前記カメラに向かう光と、前記分光器に向かう光とに分岐させる光分岐部と、
前記受光部によって生成された受光信号に基づいて前記測定対象物の表面形状を測定するのに加えて、前記分光器によって生成された受光信号に基づいて前記測定対象物の膜厚を測定する測定部と、
少なくとも、
前記測定対象物の表面形状を測定する第１モードと、
前記測定対象物の膜厚を測定する第２モードと、
を含んだモード群の中から１つを実行させるモード切替部と、を備える
ことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
【請求項9】
請求項８に記載されたレーザ共焦点顕微鏡において、前記測定部は、前記受光部によって生成された受光信号に基づいて前記測定対象物の膜厚を測定し、
前記モード切替部は、前記第２モードが選択された場合、
前記分光器によって生成された受光信号に基づいて膜厚を測定する第１のサブモードと、
前記受光部によって生成された受光信号に基づいて膜厚を測定する第２のサブモードと、
のうちの一方を実行させる
ことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
【請求項10】
請求項１に記載されたレーザ共焦点顕微鏡において、前記対物レンズを着脱可能に構成された着脱機構と、
前記光分岐部が内蔵されたアダプタと、
前記測定対象物の表面形状を測定する第１モードと前記測定対象物の膜厚を測定する第２モードとを少なくとも含んだモード群の中から１つを実行させるモード切替部と、を備え、
前記アダプタは、前記着脱機構に装着可能に構成され、
前記着脱機構は、所定の中心軸まわりに回転するレボルバとして構成され、
前記レボルバは、前記中心軸を取り囲むように、前記対物レンズおよび前記アダプタを取付可能に構成され、
前記モード切替部は、前記第２モードが選択された場合、前記レボルバの回転を許容しない
ことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
【請求項11】
測定対象物を載置するためのステージと、
前記ステージ上に載置された測定対象物に、対物レンズを介してレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記測定対象物からのレーザ光の反射光を、前記対物レンズを有する共焦点光学系を介して受光するとともに、該反射光の受光強度に応じた受光信号を生成する受光部と、
前記受光部によって生成された受光信号に基づいて、前記測定対象物の表面形状を測定する測定部と、
前記ステージ上に載置された前記測定対象物に、対物レンズを介して白色光を照射する白色光源と、
前記測定対象物からの白色光の反射光を受光し、該白色光の反射光に基づいて前記測定対象物のカメラ画像を生成するカメラと、
前記測定対象物からの白色光の反射光を前記カメラに導き、前記測定対象物からのレーザ光の反射光を前記受光部に導くビームスプリッタと、
波長毎の受光強度に応じた受光信号を生成する分光器と、
前記ビームスプリッタと前記対物レンズとの間の光路上に配置され、前記測定対象物からの白色光の反射光を、前記カメラに向かう光と、前記分光器に向かう光とに分岐させる光分岐部と、を備え、
前記測定部は、前記受光部によって生成された受光信号に基づいて前記測定対象物の表面形状を測定するのに加えて、前記分光器によって生成された受光信号に基づいて前記測定対象物の膜厚を測定する
ことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
ここに開示する技術は、レーザ共焦点顕微鏡に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば特許文献１には、レーザ共焦点の原理を用いた共焦点顕微鏡が開示されている。具体的に、この特許文献１に開示されている共焦点顕微鏡は、対物レンズを介してレーザ光を照射するレーザ光源と、ピンホール（ピンホール部材）等からなる光学系を介してレーザ光の反射光を受光するとともに、その受光強度に応じた受光信号を生成する受光部（受光素子）と、を備える。
【0003】
一方、特許文献２には、分光干渉法を用いた膜厚測定装置（セル内膜厚測定装置）が開示されている。具体的に、この特許文献２に係る膜厚測定装置は、基板上にパターニングされた着色膜の膜厚等、特定の測定対象に特化した専用機として構成されており、分光干渉の原理を用いて膜厚を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００９－２５８１８６号公報
【文献】特開２００７－２０５７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に係る共焦点顕微鏡は、レーザ共焦点の原理を用いて膜厚を測定することができる。しかし、この従来の共焦点顕微鏡には、分光干渉法を用いた膜厚測定ほどの高い精度で膜厚を測定することができないという問題がある。
【0006】
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザ共焦点顕微鏡において、分光干渉法による膜厚測定を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の第１の態様は、測定対象物を載置するためのステージと、前記ステージ上に載置された測定対象物に、対物レンズを介してレーザ光を照射するレーザ光源と、前記測定対象物からのレーザ光の反射光を、前記対物レンズを有する共焦点光学系を介して受光するとともに、該反射光の受光強度に応じた受光信号を生成する受光部と、前記受光部によって生成された受光信号に基づいて、前記測定対象物の表面形状を測定する測定部と、前記ステージ上に載置された前記測定対象物に、対物レンズを介して白色光を照射する白色光源と、前記測定対象物からの白色光の反射光を受光し、該白色光の反射光に基づいて前記測定対象物のカメラ画像を生成するカメラと、波長毎の受光強度に応じた受光信号を生成する分光器と、前記測定対象物からの白色光の反射光を、前記カメラに向かう光と、前記分光器に向かう光とに分岐させる光分岐部と、を備えるレーザ共焦点顕微鏡に係る。
【0008】
そして、本開示の第１の態様によれば、前記測定部は、前記受光部によって生成された受光信号に基づいて前記測定対象物の表面形状を測定するのに加えて、前記分光器によって生成された受光信号に基づいて前記測定対象物の膜厚を測定する。
【0009】
前記第１の態様によると、前記レーザ共焦点顕微鏡は、白色光を用いたカメラ画像の生成に加えて、レーザ光による共焦点の原理（レーザ共焦点法）に基づいて測定対象物の測定を行うことできる。
【0010】
そして、前記第１の態様によると、前記レーザ共焦点顕微鏡は、白色光の反射光を分岐させることで、分光干渉の原理（分光干渉法）に基づいて膜厚を測定することができる。カメラ用の白色光およびカメラを流用することで、分光干渉法の実現に要する部品点数、特に分光干渉法による膜厚測定を行うための専用部品の導入を最小限に抑えつつ、ステージに載置可能な測定対象物一般に対して膜厚測定を実行することができる。
【0011】
また、本開示の第２の態様によれば、前記レーザ共焦点顕微鏡は、前記対物レンズに対する前記ステージの高さ位置を相対的に変化させる駆動部と、前記対物レンズを着脱可能に構成された着脱機構と、前記ステージまたは前記対物レンズの各高さ位置で前記受光部によって生成された受光信号に基づいて、前記対物レンズの焦点が前記測定対象物の表面に一致する合焦位置を算出する演算部と、前記駆動部を作動させることで前記ステージまたは前記対物レンズの高さ位置を相対的に調整することによって、該高さ位置を前記演算部によって算出された合焦位置に一致させる焦点調整部と、を備え、前記共焦点光学系は、前記着脱機構に装着される前記対物レンズを交換することで、前記測定対象物の拡大倍率を変更可能に構成され、前記測定部は、前記測定対象物の各拡大倍率において、前記測定対象物の膜厚を測定する、としてもよい。
【0012】
従来知られた膜厚測定装置のような専用機の場合、対物レンズのフォーカスが多少ずれた状態にあっても、膜厚を測定することが可能であった。さらに、そうした専用機の場合、被写界深度の深い低倍率の対物レンズを使うことになるため、視野が広く、ユーザによる観察位置の調整も比較的容易であった。
【0013】
ところが、前記レーザ共焦点顕微鏡のような汎用機の場合、前述の専用機よりも高い拡大倍率に変更された状態で、膜厚を測定することが想定される。そのため、前述の専用機よりも被写界深度が浅くなる。さらに、視野も狭くなるため、ユーザが観察位置を把握するのも困難になる。
【0014】
対して、前記第２の態様によると、前記レーザ共焦点顕微鏡は、着脱機構によって高倍率での測定を実行可能に構成されているものの、演算部および焦点調整部がフォーカス合わせを自動的に行うようになっている。そのため、高倍率での膜厚測定時にあっても、良好な測定を実現することができる。
【0015】
また、本開示の第３の態様によれば、前記レーザ共焦点顕微鏡は、前記白色光源から照射される白色光と、前記レーザ光源から照射されるレーザ光と、を同軸化する合流部を備え、前記光分岐部は、前記合流部と前記対物レンズとの間の光路上に配置される、としてもよい。
【0016】
前記第３の態様によると、光分岐部は、合流部に比して対物レンズに近接した状態で配置されることになる。このように、光分岐部を対物レンズ付近に配置することで、光分岐部を着脱自在とする構成を容易に実現することができる。その結果、膜厚測定と、レーザ共焦点法による測定と、の使い分けを容易に行うことができるようになる。
【0017】
また、本開示の第４の態様によれば、前記レーザ共焦点顕微鏡は、前記対物レンズを着脱可能に構成された着脱機構と、前記光分岐部が内蔵されたアダプタと、を備え、前記共焦点光学系は、前記着脱機構に装着される前記対物レンズを交換することで、前記測定対象物の拡大倍率を変更可能に構成され、前記アダプタは、前記着脱機構に着脱可能に構成される、としてもよい。
【0018】
前記第４の態様によると、前記着脱機構からレーザ共焦点法に適した対物レンズを取り外した上で、その着脱機構に対し、光分岐部が内蔵されたアダプタを装着することができる。これにより、対物レンズと同様の使用感で、光分岐部とともにアダプタを着脱することができる。このことは、レーザ共焦点法と分光干渉法という、２つの異質な測定原理を容易に切替可能であることを意味し、ユーザビリティの向上に資する。
【0019】
また、本開示の第５の態様によれば、前記アダプタは、該アダプタとは別体の前記対物レンズを着脱可能に構成され、前記対物レンズは、前記アダプタを介して前記着脱機構に装着可能に構成される、としてもよい。
【0020】
前記第５の態様によると、対物レンズのうち、特に分光干渉法による膜厚測定に用いられる対物レンズについては、アダプタを介して着脱機構に装着することができる。このことは、アダプタに係るユーザビリティの向上に有効である。
【0021】
また、本開示の第６の態様によれば、前記着脱機構は、所定の中心軸まわりに回転するレボルバとして構成され、前記レボルバは、前記中心軸を取り囲むように、前記対物レンズおよび前記アダプタを取付可能に構成される、としてもよい。
【0022】
前記第６の態様によると、前記レーザ共焦点顕微鏡は、そのレボルバから対物レンズを取り外してアダプタに付け替えるという比較的平易な操作を行うことで、測定原理を切り替えることができる。対物レンズの交換と同様の使用感で測定原理を切り替えることができるため、装置のユーザビリティを向上させることができる。
【0023】
また、本開示の第７の態様によれば、前記レーザ共焦点顕微鏡は、前記白色光源から照射された白色光を、所定の参照面に向かう参照光と、前記測定対象物に向かう測定光と、に分岐させる分岐光学系と、前記参照面によって反射された参照光と、前記測定対象物によって反射された測定光と、を受光して干渉画像を撮像する撮像部と、を備え、前記測定部は、前記合焦位置を含んだ高さ範囲内に定められる複数の高さ位置において前記撮像部により撮影された複数の干渉画像に基づいて、前記測定対象物の表面形状を測定する、としてもよい。
【0024】
前記第７の態様によると、前記レーザ共焦点顕微鏡は、測定光と参照光との干渉現象を反映した干渉画像を撮像することで、白色干渉の原理（白色干渉法）に基づいて表面形状を測定することができる。
【0025】
ここで、「撮像部」は、前記カメラによって構成してもよい。その場合、前記干渉画像は、特定の状況下で撮影された前記カメラ画像に対応することになる。
【0026】
ところで、表面形状を精度よく測定するためには、干渉対物レンズ等のフォーカスが合った位置である合焦位置を予め探索しておくことが求められるものの、従来知られた手法にはユーザビリティに改善の余地が残る。
【0027】
そこで、前記第７の態様に係る白色干渉顕微鏡は、合焦位置を探索する際に、白色干渉法ではなく、レーザ光による共焦点の原理（レーザ共焦点法）を利用する。
【0028】
レーザ光共焦点法を利用した場合、合焦位置においては比較的高い受光強度が実現される一方、非合焦位置においては、受光強度が著しく減少することになる。これにより、ある程度フォーカスさせた状態から探索を開始せずとも、受光素子のゲインを十分に高めておくことができるようになる。その結果、手間および時間等の観点で有利になり、ひいては、フォーカスを合わせる際のユーザビリティを向上させることが可能となる。
【0029】
また、本開示の第８の態様によれば、前記レーザ共焦点顕微鏡は、少なくとも、前記測定対象物の表面形状を測定する第１モードと、前記測定対象物の膜厚を測定する第２モードと、を含んだモード群の中から１つを実行させるモード切替部を備える、としてもよい。
【0030】
前記第８の態様によると、前記レーザ共焦点顕微鏡は、主たる機能として、少なくとも、前記第１モードと、前記第２モードと、を使い分けることができる。これにより、レーザ共焦点顕微鏡を種々の用途に用いることができるようになる。
【0031】
また、本開示の第９の態様によれば、前記レーザ共焦点顕微鏡は、前記測定部は、前記受光部によって生成された受光信号に基づいて、前記測定対象物の膜厚を測定し、前記モード切替部は、前記第２モードが選択された場合、前記分光器によって生成された受光信号に基づいて膜厚を測定する第１のサブモードと、前記受光部によって生成された受光信号に基づいて膜厚を測定する第２のサブモードと、うちの一方を実行させる、としてもよい。
【0032】
一般に、レーザ共焦点法に基づいた膜厚の測定は、分光干渉法に基づいた測定に比して、より厚みのある対象物に適したものとなる。
【0033】
前記第９の態様によると、前記レーザ共焦点顕微鏡は、分光干渉法に基づいた膜厚の測定と、レーザ共焦点法に基づいた膜厚の測定と、を使い分けることができる。これにより、対象物の厚みに応じて、都度、適切な測定を行うことができるようになる。
【0034】
また、本開示の第１０の態様によれば、前記レーザ共焦点顕微鏡は、前記対物レンズを着脱可能に構成された着脱機構と、前記光分岐部が内蔵されたアダプタと、前記測定対象物の表面形状を測定する第１モードと前記測定対象物の膜厚を測定する第２モードとを少なくとも含んだモード群の中から１つを実行させるモード切替部と、を備え、前記アダプタは、前記着脱機構に装着可能に構成され、前記着脱機構は、所定の中心軸まわりに回転するレボルバとして構成され、前記レボルバは、前記中心軸を取り囲むように、前記対物レンズおよび前記アダプタを取付可能に構成され、前記モード切替部は、前記第２モードが選択された場合、前記レボルバの回転を許容しない、としてもよい。
【0035】
アダプタは、光分岐部を内蔵する分だけ、対物レンズよりも大径となる可能性がある。その場合、レボルバを介してアダプタを回転させたときに、アダプタとステージとが衝突する虞がある。
【0036】
一方、前記第１０の態様によると、前記第２モードが選択された場合、すなわち、測定対象物にアダプタ（および光分岐部）を対峙させた場合には、その姿勢のまま、レボルバひいてはアダプタの回転を許容しない。このように構成することで、アダプタとステージとの衝突を未然に防ぐことができる。
【発明の効果】
【0037】
以上説明したように、本開示によれば、レーザ共焦点顕微鏡において、分光干渉法による膜厚測定を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【発明を実施するための形態】
【0039】
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明は例示である。
【0040】
＜レーザ共焦点顕微鏡１＞
図１Ａは、本開示の実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１のシステム構成を例示する模式図である。図１に例示されるレーザ共焦点顕微鏡１は、観察対象物および測定対象物としてのサンプルＳＰを拡大して観察可能にするとともに、該サンプルＳＰの表面形状（三次元形状）を測定するための装置である。
図１Ａは、本開示の実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１のシステム構成を例示する模式図である。図１に例示されるレーザ共焦点顕微鏡１は、観察対象物および測定対象物としてのサンプルＳＰを拡大して観察可能にするとともに、該サンプルＳＰの表面形状（三次元形状）を測定するための装置である。
【0041】
レーザ共焦点顕微鏡１は、サンプルＳＰの表面形状を測定する際に、ピンホール等を有する共焦点光学系を用いてレーザ共焦点法を実施することができる。一方、本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、白色光を同軸落射照明として用いるとともに、その反射光を撮像部５８（カメラ）で受光することで、そのカメラによって生成される画像（干渉画像）に基づいてサンプルＳＰの観察を行うこともできる。
【0042】
レーザ共焦点顕微鏡１はまた、白色光を用いた２光束干渉計として構成される。すなわち、このレーザ共焦点顕微鏡１は、サンプルＳＰの表面形状を測定する際に、白色光の２光束干渉を利用した白色干渉法を実施することもできる。
【0043】
ここで、図１Ｂは、膜厚測定時のレーザ共焦点顕微鏡１のシステム構成を例示する模式図である。図１Ｂに例示されるように、レーザ共焦点顕微鏡１は、既存の対物レンズ５４を分光ユニットＯｓと置き換えた上で白色光の分光干渉を用いることで、サンプルＳＰの膜厚を測定することもできる。
【0044】
また、膜厚の測定に際し、レーザ共焦点顕微鏡１は、分光干渉の原理に基づいた測定と、レーザ共焦点法による測定と、を使い分けることができる。
【0045】
レーザ共焦点顕微鏡１は、その観察機能に着目した場合、拡大観察装置と呼称したり、単に顕微鏡と呼称したり、デジタルマイクロスコープと呼称したりすることができる一方、その測定機能に着目した場合、三次元形状測定装置と呼称したり、表面形状測定装置と呼称したり、膜厚測定装置と呼称したりすることもできる。レーザ共焦点顕微鏡１はまた、その測定原理に着目した場合、白色干渉計と呼称したり、白色干渉顕微鏡と呼称したりすることも可能である。
【0046】
図１Ａに示すように、本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、観察ユニット２と、外部ユニット３と、を備える。観察ユニット２は、白色干渉による観察および測定を実行するための光学部品をユニット化してなる。一方、外部ユニット３は、通信機能、電源機能等を実現するためのユニットである。なお、外部ユニット３を観察ユニット２に組み込んで一体化することもできる。図例のように、観察ユニット２と外部ユニット３とでレーザ共焦点顕微鏡１を構成する場合は、外部ユニット３に、観察ユニット２に対して電力を供給する電力供給装置３ａを設けることができる。観察ユニット２と外部ユニット３とは、配線２ａによって接続されている。
【0047】
また、レーザ共焦点顕微鏡１には、操作用端末４を接続することができる。外部ユニット３に内蔵されている通信部３ｂ（図４を参照）によって、操作用端末４の接続が可能になる。なお、操作用端末４と外部ユニット３とを接続する代わりに、または、操作用端末４と外部ユニット３との接続に加えて、操作用端末４と観察ユニット２とを接続することもできる。その場合、観察ユニット２には、通信部３ｂに相当する機器が内蔵されることになる。
【0048】
図１Ａに示すように、本実施形態に係る操作用端末４は、表示部４１と、キーボード４２と、マウス４３と、記憶装置４４と、を有する。操作用端末４は、観察ユニット２または外部ユニット３に組み込んで一体化することで、レーザ共焦点顕微鏡１の構成部材とすることができる。この場合、操作用端末４は、「操作用端末」ではなく、コントロールユニット等と呼ぶことができるが、この実施形態では、観察ユニット２および外部ユニット３とは別体の場合を例示している。
【0049】
また、表示部４１、キーボード４２、マウス４３および記憶装置４４のうちの１つ以上についても、観察ユニット２、外部ユニット３等に組み込んで一体化することで、レーザ共焦点顕微鏡１の構成部材とすることができる。つまり、操作用端末４全体、または、操作用端末４の各構成要素をレーザ共焦点顕微鏡１の一部とすることができる。例えば、表示部４１付きのレーザ共焦点顕微鏡１、キーボード４２及びマウス４３（操作部）付きのレーザ共焦点顕微鏡１とすることもできる。
【0050】
キーボード４２およびマウス４３は、周知のコンピュータ操作用の機器であり、操作用端末４を操作するための操作部をなす。これらがユーザによる操作入力を受け付けるとともに、その操作入力に対応した信号を操作用端末４に入力することで、この操作用端末４を介してレーザ共焦点顕微鏡１を操作することができる。具体的に、キーボード４２およびマウス４３を操作することで、各種情報の入力、選択操作、画像の選択操作、領域指定、位置指定等を行うことができる。
【0051】
なお、キーボード４２およびマウス４３は、操作部の一例に過ぎない。キーボード４２およびマウス４３の代わりに、または、キーボード４２およびマウス４３に加えて、例えば、各種ポインティングデバイス、音声入力機器、タッチパネル等の機器を利用することもできる。
【0052】
表示部４１は、例えば、液晶ディスプレイまたは有機ＥＬパネルによって構成される。この表示部４１は、記憶装置４４における記憶内容等、ユーザに対して情報を表示することができる。なお、表示部４１に対し、操作部としてのタッチパネルを組み込んでもよい。
【0053】
また、後述する各部材、手段、素子、ユニット等は、観察ユニット２、外部ユニット３および操作用端末４のいずれに設けてもよい。
【0054】
レーザ共焦点顕微鏡１には、前述した機器および装置以外にも、様々な操作および制御を行うための装置、プリンタ、その他の各種処理を行うためのコンピュータ、記憶装置、周辺機器等を有線または無線によって接続することもできる。
【0055】
例えば、サンプルＳＰの膜厚測定時には、観察ユニット２に分光器１２が接続されるようになっている。この分光器１２は、図１Ｂに例示されるように、光ケーブル１１を介して分光ユニットＯｃに接続される。分光器１２は、有線または無線によって、観察ユニット２に内蔵されたユニット制御系８、外部ユニット３、操作用端末４等に接続することができる。
【0056】
＜観察ユニット２の全体構成＞
図２は、観察ユニット２の斜視図である。観察ユニット２の外観形状は、図２に示すようになっている。この観察ユニット２は、作業台等に載置されるベース２０と、ベース２０の奥側部分から上側へ向かって延びる支持部２１と、支持部２１の上部に設けられたヘッド部２２と、測定対象物としてのサンプルＳＰを載置するためのステージ２３と、を備える。
図２は、観察ユニット２の斜視図である。観察ユニット２の外観形状は、図２に示すようになっている。この観察ユニット２は、作業台等に載置されるベース２０と、ベース２０の奥側部分から上側へ向かって延びる支持部２１と、支持部２１の上部に設けられたヘッド部２２と、測定対象物としてのサンプルＳＰを載置するためのステージ２３と、を備える。
【0057】
なお、観察ユニット２の手前側とは、ユーザが観察ユニット２に対して通常の操作姿勢で向かい合ったときに、そのユーザに近接する一側を指す。一方、観察ユニット２の奥側とは、ユーザが観察ユニット２に対して通常の操作姿勢で向かい合ったときに、そのユーザから離間する他側を指す。これらは、説明の便宜を図るために定義するものに過ぎず、実際の使用状態を限定するものではない。
【0058】
以下の記載では、観察ユニット２の手前側と奥側とを結んだ奥行き方向（ヘッド部２２の長手方向）を「Ｘ方向」と呼称し、観察ユニット２の左右方向（ヘッド部２２の短手方向）を「Ｙ方向」と呼称する。そして、Ｘ方向とＹ方向の双方に沿った方向を「水平方向」と呼称し、その水平方向に沿った平面を「水平面」と呼称する。
【0059】
さらに、観察ユニット２の高さ方向を「Ｚ方向」と呼称する。このＺ方向は、Ｘ方向とＹ方向の双方に直交することになる。以下の記載における「高さ位置」とは、Ｚ方向に沿った座標軸（Ｚ軸）で見たときの位置を指す。高さ位置は、「Ｚ位置」と呼称される場合もある。
【0060】
もちろん、本開示は、これらの定義に限られるものではなく、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向等の定義を任意に変更することができる。
【0061】
【0062】
観察ユニット２は、ベース２０等、観察ユニット２の外観形状に係る部材に加え、白色光を用いた観察および測定等に関連した部品の集合である白色光学系５と、レーザ光を用いた測定等に関連した部品の集合であるレーザ光学系６と、ステージ２３等を駆動させるユニット駆動系７と、白色光学系５、レーザ光学系６およびユニット駆動系７を介して各種処理を実行するユニット制御系８と、を備える。
【0063】
白色光学系５は、白色光を観察用の照明または干渉光の生成源として用いる観察光学系（非共焦点観察光学系）であり、白色光によって照らされたサンプルＳＰを観察したり、サンプルＳＰの表面形状を特徴付ける干渉画像を生成したりするための光学系である。なお、ここでいう「光学系」の語は、広義で用いる。すなわち、白色光学系５は、レンズ等の光学部品に加え、光源、撮像素子等を包括したシステムとして定義される。レーザ光学系６についても同様である。
【0064】
レーザ光学系６は、いわゆるレーザ共焦点法を用いる観察光学系（共焦点観察光学系）であり、レーザ光を２次元走査したり、フォーカスされた状態でレーザ光を照射することで、レーザ光の反射光に基づく画像（以下、「レーザ画像」という）を生成したりするためのシステムである。
【0065】
ユニット駆動系７は、ステージ２３を動作させるＺ方向駆動部７１、第１及びレーザ光学系５，６において対物レンズを切り替える電動レボルバ（電動の変倍機構）７４等によって構成される。ユニット駆動系７は、ユニット制御系８から入力される電気信号に基づいて、レーザ共焦点顕微鏡１を構成する各種部材を動作させるようになっている。
【0066】
ユニット制御系８は、白色光学系５、レーザ光学系６およびユニット駆動系７と電気信号を送受可能に接続されており、干渉画像およびレーザ画像等を表示部４１上に表示させたり、レーザ画像に基づいてレーザ共焦点顕微鏡１のオートフォーカスを実行したり、干渉画像およびレーザ画像の少なくとも一方に基づいてサンプルＳＰの表面形状を測定したりすることができるよう構成される。
【0067】
具体的に、本実施形態に係るユニット制御系８は、主たる構成要素として、レーザ光の２次元走査を制御する走査制御部８ａと、白色光学系５によって生成された干渉画像、または、レーザ光学系６によって生成されたレーザ画像に基づいてサンプルＳＰの表面形状を測定する第１表面形状測定部８ｊおよび第２表面形状測定部８ｋと、を有してなる。ここで、第１表面形状測定部８ｊは、本実施形態における「測定部」の例示である。これらの詳細は、後述する。
【0068】
なお、本実施形態に係るユニット制御系８は、図４に例示されるように、白色光学系５とレーザ光学系６とユニット駆動系７で共有されるように構成されているが、この構成には限定されない。例えば、白色光学系５、レーザ光学系６およびユニット駆動系７のそれぞれに、専用の制御系を接続してもよい。
【0069】
また、白色光学系５、レーザ光学系６、ユニット駆動系７およびユニット制御系８という分類は、系統的な説明を行うための便宜上の分類に過ぎず、本開示の構成を限定するものではない。本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、第１ビームスプリッタ５７等、白色光学系５とレーザ光学系６とで共有される部品を有する。
【0070】
（白色光学系５）
図３Ａは、観察ユニット２の光学系のうち、特に白色光学系５を例示する模式図である。観察ユニット２の白色光学系５は、従来から白色干渉計に使用されている光学系と同様に構成することができ、観察および測定用の光源として、後述の白色光源５１を利用するものである。この白色光学系５は、白色光源５１から照射される白色光をサンプルＳＰに照射し、その反射光を撮像部５８に集光するように構成される。
図３Ａは、観察ユニット２の光学系のうち、特に白色光学系５を例示する模式図である。観察ユニット２の白色光学系５は、従来から白色干渉計に使用されている光学系と同様に構成することができ、観察および測定用の光源として、後述の白色光源５１を利用するものである。この白色光学系５は、白色光源５１から照射される白色光をサンプルＳＰに照射し、その反射光を撮像部５８に集光するように構成される。
【0071】
具体的に、白色光学系５は、白色光源５１と、第１ミラー５２と、第１ハーフミラー５３と、対物レンズ５４と、この対物レンズ５４とともに干渉対物レンズＯｃを構成する分岐光学系５５と、第１レンズ５６と、第１ビームスプリッタ５７と、撮像素子５８ａを有する撮像部５８と、を備える。このうちの撮像部５８は、ユニット制御系８の一要素である第１表面形状測定部８ｊと電気的に接続されている。なお、図３Ａに示す例では、干渉対物レンズＯｃに分岐光学系５５が内蔵されるように構成されているが、本開示は、そうした構成には限定されない。後述のように、分岐光学系５５と対物レンズ５４とを独立した部材としてレイアウトし、必要に応じて分岐光学系５５を動作させるように構成することもできる。
【0072】
－白色光源５１－
白色光源５１は、ステージ２３に載置されたサンプルＳＰに、対物レンズ５４（白色干渉法を用いる場合は、干渉対物レンズＯｃ）を介して白色光を照射する（図３Ａの符号Ｌ１参照）。この白色光源５１は、観察用の照明として用いられる際には、撮像部５８の光軸（特に、撮像素子５８ａの光軸）と同軸化された同軸落射照明として機能する。
白色光源５１は、ステージ２３に載置されたサンプルＳＰに、対物レンズ５４（白色干渉法を用いる場合は、干渉対物レンズＯｃ）を介して白色光を照射する（図３Ａの符号Ｌ１参照）。この白色光源５１は、観察用の照明として用いられる際には、撮像部５８の光軸（特に、撮像素子５８ａの光軸）と同軸化された同軸落射照明として機能する。
【0073】
具体的に、本実施形態に係る白色光源５１は、例えば、ハロゲンランプまたは白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）によって構成可能な発光体５１ａと、その発光体５１ａから発せられた白色光が入射する不図示の光学部品と、を有する。
【0074】
白色光源５１から発せられた白色光は、第１ミラー５２と第１ハーフミラー５３とによって反射された後、対物レンズ５４および分岐光学系５５を介してサンプルＳＰに照射される。
【0075】
－第１ミラー５２－
第１ミラー５２は、白色光源５１の発光体（不図示）に対し、該第１ミラー５２の鏡面を傾斜させた状態で向かい合うように配置される。第１ミラー５２は、白色光源５１から発せられた白色光を反射し、これを第１ハーフミラー５３に入射させる。
第１ミラー５２は、白色光源５１の発光体（不図示）に対し、該第１ミラー５２の鏡面を傾斜させた状態で向かい合うように配置される。第１ミラー５２は、白色光源５１から発せられた白色光を反射し、これを第１ハーフミラー５３に入射させる。
【0076】
－第１ハーフミラー５３－
第１ハーフミラー５３は、撮像素子５８ａの光軸上に配置される。第１ハーフミラー５３は、第１ミラー５２によって反射された白色光を再度反射することで、該白色光の光軸と、撮像素子５８ａの光軸と、を同軸化する。そうして同軸化された白色光は、対物レンズ５４を介してサンプルＳＰに照射される。第１ハーフミラー５３は、本実施形態における「合流部」の例示である。
第１ハーフミラー５３は、撮像素子５８ａの光軸上に配置される。第１ハーフミラー５３は、第１ミラー５２によって反射された白色光を再度反射することで、該白色光の光軸と、撮像素子５８ａの光軸と、を同軸化する。そうして同軸化された白色光は、対物レンズ５４を介してサンプルＳＰに照射される。第１ハーフミラー５３は、本実施形態における「合流部」の例示である。
【0077】
サンプルＳＰによって反射された白色光は、対物レンズ５４を介して第１ハーフミラー５３に戻る。第１ハーフミラー５３は、そうして反射された白色光を透過させ、第１レンズ５６と第１ビームスプリッタ５７を介して撮像部５８に導く。
【0078】
－対物レンズ５４および分岐光学系５５－
対物レンズ５４は、分岐光学系５５と一体化された干渉対物レンズＯｃとして構成される。この干渉対物レンズＯｃは、二光束干渉用の対物レンズとして構成可能である。
対物レンズ５４は、分岐光学系５５と一体化された干渉対物レンズＯｃとして構成される。この干渉対物レンズＯｃは、二光束干渉用の対物レンズとして構成可能である。
【0079】
すなわち、干渉対物レンズＯｃは、集光用の対物レンズ５４と、対物レンズ５４を通過した光（白色光またはレーザ光）を２つの光束（参照光および測定光）に分割し、分割させた２つの光束それぞれの光路長を異ならせた状態で重なり合わせる分岐光学系５５と、を備える。
【0080】
特に、本実施形態に係る干渉対物レンズＯｃは、二光束干渉用の対物レンズとして区分される対物レンズのうち、特に、図３Ａに例示されるようなミラウ型の干渉対物レンズＯｃとして構成することができる。
【0081】
詳しくは、分岐光学系５５は、干渉用ビームスプリッタ５５ａと、参照ミラー５５ｂと、を有する。ミラウ型の干渉対物レンズＯｃとして構成した場合、干渉用ビームスプリッタ５５ａと参照ミラー５５ｂは、図３Ａに例示されるように、対物レンズ５４の光軸に対して双方とも同軸に配置される。
【0082】
さらに詳しくは、干渉用ビームスプリッタ５５ａは、白色光源５１から照射されて対物レンズ５４を通過した白色光を、所定の参照面（本実施形態では、参照ミラー５５ｂの鏡面）に向かう参照光（図３Ａの符号Ｌｒ参照）と、測定対象物としてのサンプルＳＰに向かう測定光と、に分岐させる。後者の測定光は、サンプルＳＰによって反射された後、干渉用ビームスプリッタ５５ａに再び入射することになる（図３Ａの符号Ｌ２参照）。一方、参照ミラー５５ｂは、干渉用ビームスプリッタ５５ａによって生成された参照光を反射して、これを干渉用ビームスプリッタ５５ａに向けて伝搬させる。
【0083】
したがって、測定光の反射光（サンプルＳＰによって反射された測定光）は、参照ミラー５５ｂによって反射された参照光と合流し、双方が重なり合った状態で伝搬する。以下、互いに重なり合った状態で伝搬する参照光および測定光それぞれの反射光を、「干渉光」と総称する場合がある。そうして形成された干渉光は、対物レンズ５４、第１ハーフミラー５３、第１レンズ５６および第１ビームスプリッタ５７を順次通過して、撮像部５８に至る。
【0084】
なお、干渉対物レンズＯｃは、前述のようなミラウ型には限定されない。例えば、マイケルソン型の干渉対物レンズを用いることもできる。その場合、参照ミラー５５ｂは、対物レンズ５４の光軸から外れた位置（対物レンズ５４の光軸に対して非同軸となる位置）に配置される。
【0085】
また、干渉対物レンズＯｃは、白色光源５１を単なる照明として用いる場合には必須ではない。その場合、分岐光学系５５を有する干渉対物レンズＯｃの代わりに、図３に例示されるように、対物レンズ５４を単体で用いることができる。以下、分岐光学系５５を非具備とした対物レンズ５４を「通常の対物レンズ」と呼称する場合がある。
【0086】
また、干渉対物レンズＯｃは、レーザ光を各種処理に用いる場合にも必須ではない。その場合、基本的には通常の対物レンズ５４が用いられることになるが、後述のオートフォーカスのように、レーザ光を用いる処理であっても、干渉対物レンズＯｃを使用することができる。
【0087】
また、詳細は省略するが、図３Ｂに模式的に例示したように、対物レンズ５４にリング照明５４ａを装着し、このリング照明５４ａを観察用の照明（非同軸落射照明）として用いることもできる。
【0088】
－第１レンズ５６－
第１レンズ５６は、撮像素子５８ａの光軸と同軸になるように配置される。第１レンズ５６は、サンプルＳＰによって反射された白色光を集光し、第１ビームスプリッタ５７を介して撮像素子５８ａに入射させる。
第１レンズ５６は、撮像素子５８ａの光軸と同軸になるように配置される。第１レンズ５６は、サンプルＳＰによって反射された白色光を集光し、第１ビームスプリッタ５７を介して撮像素子５８ａに入射させる。
【0089】
－第１ビームスプリッタ５７－
第１ビームスプリッタ５７は、撮像素子５８ａの光軸上に配置される。第１ビームスプリッタ５７は、例えばキューブミラーとして構成されており、特定の波長域に収まる光、特に、レーザ光学系６で用いられるレーザ光を反射させる。
第１ビームスプリッタ５７は、撮像素子５８ａの光軸上に配置される。第１ビームスプリッタ５７は、例えばキューブミラーとして構成されており、特定の波長域に収まる光、特に、レーザ光学系６で用いられるレーザ光を反射させる。
【0090】
第１ビームスプリッタ５７は、図３Ａに例示されるように、第１レンズ５６によって集光された白色光等を透過させて撮像部５８へと導く。第１ビームスプリッタ５７はまた、図３Ｂに例示されるように、レーザ光源６１から出射されたレーザ光（図３Ｂの符号Ｌ３参照）と、サンプルＳＰからのレーザ光の反射光（図３Ｂの符号Ｌ４参照）と、をそれぞれ反射する。
【0091】
－撮像部５８－
撮像部５８は、参照ミラー５５ｂの鏡面（参照面）によって反射された参照光と、測定対象物としてのサンプルＳＰによって反射された測定光とを受光して、参照光と測定光との干渉を反映した干渉画像を撮像する。撮像部５８はまた、白色光源５１を単なる照明として用いる場合には、サンプルＳＰの表面を撮像するためのカメラとして機能するようになっている。すなわち、撮像部５８は、本実施形態における「カメラ」の例示である。
撮像部５８は、参照ミラー５５ｂの鏡面（参照面）によって反射された参照光と、測定対象物としてのサンプルＳＰによって反射された測定光とを受光して、参照光と測定光との干渉を反映した干渉画像を撮像する。撮像部５８はまた、白色光源５１を単なる照明として用いる場合には、サンプルＳＰの表面を撮像するためのカメラとして機能するようになっている。すなわち、撮像部５８は、本実施形態における「カメラ」の例示である。
【0092】
詳しくは、撮像部５８は、白色光等、第１レンズ５６によって集光された光を受光するための撮像素子５８ａを有する。この撮像素子５８ａは、その受光面に配置された複数の画素によって、第１レンズ５６等を通じて入射した光を光電変換し、被写体の光学像に対応した電気信号に変換する。
【0093】
撮像素子５８ａは、受光面に沿って複数の受光素子を並べたものとすればよい。この場合、各受光素子が画素に対応することになる。具体的に、本実施形態に係る撮像素子５８ａは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）からなるイメージセンサによって構成されているが、この構成には限定されない。撮像素子５８ａとしては、例えばＣＣＤ（Charged-Coupled Device）からなるイメージセンサを使用することもできる。
【0094】
そして、撮像部５８は、撮像素子５８ａによって変換された電気信号に基づいて、被写体の光学像に対応した画像を生成し、これをユニット制御系８等に入力する。撮像部５８によって生成される画像（カメラ画像）のうち、白色干渉法に用いる干渉縞を撮像したものが前述の「干渉画像」に相当する。もちろん、撮像部５８によって生成される画像には、サンプルＳＰの表面を観察するための画像も含まれる。
【0095】
－白色干渉法の基本原理について－
前述のように、撮像部５８は、参照ミラー５５ｂの鏡面（参照面）によって反射された参照光と、測定対象物としてのサンプルＳＰによって反射された測定光とを受光する。ここで、参照光および測定光の反射光は、干渉対物レンズＯｃから出射された後は同一光路を伝搬するものの、分岐光学系５５を通過するときに光路長に差異が生じるため、相互に重なり合ったときに干渉が起きる。
前述のように、撮像部５８は、参照ミラー５５ｂの鏡面（参照面）によって反射された参照光と、測定対象物としてのサンプルＳＰによって反射された測定光とを受光する。ここで、参照光および測定光の反射光は、干渉対物レンズＯｃから出射された後は同一光路を伝搬するものの、分岐光学系５５を通過するときに光路長に差異が生じるため、相互に重なり合ったときに干渉が起きる。
【0096】
ここで、参照光と測定光の位相が一致している場合、干渉によって双方が強め合うことになる。この場合、撮像素子５８ａが受光する光量（受光量）は、位相が不一致の場合に比して大きくなるため、その受光強度、すなわち各画素で検出される輝度値は大きくなる。
【0097】
一方、参照光と測定光の位相が一致しておらず、特に半波長分だけずれていれる場合、干渉によって双方が弱め合うことになる。この場合、撮像素子５８ａの受光量は、位相が一致する場合に比して小さくなるため、その受光強度、すなわち各画素で検出される輝度値は小さくなる。
【0098】
ゆえに、干渉対物レンズＯｃを介した白色光の照射領域のうち、参照光と測定光の位相が合った部位については明るく、そうでない部位については暗くなり、明暗の縞模様（干渉縞）が形成される。撮像部５８は、その干渉縞を撮像することで、その明暗が反映された干渉画像を撮像する。
【0099】
ここで、参照光と測定光の位相差は、両者の光路長の差異に由来するものである。そのため、干渉縞のコントラストおよび明暗の配置は、サンプルＳＰと干渉対物レンズＯｃとの距離に応じて変化することになる。
【0100】
したがって、サンプルＳＰに対する干渉対物レンズＯｃの相対的な高さ位置を変化させつつ、各高さ位置で干渉画像を撮像し、各干渉画像の間で干渉縞が如何に変化するかを解析することで、凹凸形状等、サンプルＳＰの表面形状を測定することが可能になる。
【0101】
そうした測定を実行するために、撮像部５８は、各高さ位置で撮像された干渉画像を示す電気信号を、前述した第１表面形状測定部８ｊに入力する。第１表面形状測定部８ｊは、入力された電気信号に対応した複数の干渉画像に基づいて、サンプルＳＰの表面形状を測定するように構成されている。
【0102】
このように、白色光学系５は、白色干渉法による形状測定を実行可能な光学系である。干渉縞の明暗の間隔、および、各明暗に対応した受光強度のピーク幅は、マイクロメートルはおろか、ナノメートルのオーダーまで狭くなる。また、これらの間隔、ピーク幅の大きさは、あくまでも光路長の差に由来するため、対物レンズ５４等の倍率に依存せずに一定となる。そのため、この手法は、対物レンズ５４等の性能によらずに、高さ数ナノメートルのオーダーで測定を行うことができ、フォーカス合成、レーザ共焦点等の手法と比較し、高さ方向（Ｚ方向）の精度、および、同方向における分解能に関し、極めて優れた測定を実行することができる。
【0103】
（レーザ光学系６）
図３Ｂは、観察ユニット２のレーザ光学系を例示する模式図である。レーザ光学系６は、従来から共焦点顕微鏡に使用されている光学系と同様に構成することができ、測定用の光源として、後述のレーザ光源６１を利用するものである。このレーザ光学系６は、レーザ光源６１から照射されるレーザ光をサンプルＳＰに照射し、その反射光を受光部６６に集光するように構成される。
図３Ｂは、観察ユニット２のレーザ光学系を例示する模式図である。レーザ光学系６は、従来から共焦点顕微鏡に使用されている光学系と同様に構成することができ、測定用の光源として、後述のレーザ光源６１を利用するものである。このレーザ光学系６は、レーザ光源６１から照射されるレーザ光をサンプルＳＰに照射し、その反射光を受光部６６に集光するように構成される。
【0104】
具体的に、レーザ光学系６は、レーザ光源６１と、第２ビームスプリッタ６２と、レーザ光走査部６３と、第１ビームスプリッタ５７と、第１レンズ５６と、第１ハーフミラー５３と、対物レンズ５４または干渉対物レンズＯｃと、第２レンズ６４と、ピンホール６５ａが形成されたピンホール板６５と、受光素子６６ａを有する受光部６６と、を備える。このうちの受光部６６は、ユニット制御系８の一要素である第２表面形状測定部８ｋと電気的に接続されている。レーザ光学系６は、本実施形態における「共焦点光学系」の例示である。
【0105】
すなわち、共焦点光学系としてのレーザ光学系６は、サンプルＳＰの表面にレーザ光がフォーカスされたとき、そのレーザ光の反射光が、ピンホール６５ａないし受光素子６６ａ付近で焦点を結ぶようにレイアウトされている（より詳細には、対物レンズ５４の焦点面と“共役”になる位置に、ピンホール６５ａがレイアウトされている）。
【0106】
－レーザ光源６１－
レーザ光源６１は、ステージ２３に載置されたサンプルＳＰに向けて、干渉対物レンズＯｃと同一の又は異なる対物レンズ５４を介してレーザ光を照射する。すなわち、図３ＡＡに例示したように、対物レンズ５４と分岐光学系５５を介してレーザ光を照射してもよいし、図３Ｂに例示したように、分岐光学系５５を非介在とした状態で、対物レンズ５４のみを介してレーザ光を照射してもよい。以下の説明では、簡単のため、分岐光学系５５を非介在とした状態でレーザ光が照射される場合について説明する。このレーザ光源６１は、いわゆる点光源として機能する。
レーザ光源６１は、ステージ２３に載置されたサンプルＳＰに向けて、干渉対物レンズＯｃと同一の又は異なる対物レンズ５４を介してレーザ光を照射する。すなわち、図３ＡＡに例示したように、対物レンズ５４と分岐光学系５５を介してレーザ光を照射してもよいし、図３Ｂに例示したように、分岐光学系５５を非介在とした状態で、対物レンズ５４のみを介してレーザ光を照射してもよい。以下の説明では、簡単のため、分岐光学系５５を非介在とした状態でレーザ光が照射される場合について説明する。このレーザ光源６１は、いわゆる点光源として機能する。
【0107】
また、レーザ光源６１としては、例えば、Ｈｅ－Ｎｅガスレーザや半導体レーザ等を使用することができる。また、レーザ光源６１の代わりに、点光源を生成することができる各種光源を利用することができ、その場合、例えば高輝度ランプとスリットとの組み合わせ等であってもよい。
【0108】
レーザ光源６１から出力されたレーザ光は、第２ビームスプリッタ６２を通過してレーザ光走査部６３に到達し、そのレーザ光走査部６３から第１ビームスプリッタ５７、第１レンズ５６、第１ハーフミラー５３および対物レンズ５４を介してサンプルＳＰに照射される。
【0109】
－第２ビームスプリッタ６２－
第２ビームスプリッタ６２は、レーザ光源６１の光軸上に配置され、このレーザ光源６１とレーザ光走査部６３との間に位置する。第２ビームスプリッタ６２は、レーザ光源６１から出力されたレーザ光を透過させ、これをレーザ光走査部６３へ導く。第２ビームスプリッタ６２はまた、サンプルＳＰによって反射されたレーザ光を反射して、これを受光部６６へ導く。第２ビームスプリッタ６２としては、周知のビームスプリッタを用いることができる。
第２ビームスプリッタ６２は、レーザ光源６１の光軸上に配置され、このレーザ光源６１とレーザ光走査部６３との間に位置する。第２ビームスプリッタ６２は、レーザ光源６１から出力されたレーザ光を透過させ、これをレーザ光走査部６３へ導く。第２ビームスプリッタ６２はまた、サンプルＳＰによって反射されたレーザ光を反射して、これを受光部６６へ導く。第２ビームスプリッタ６２としては、周知のビームスプリッタを用いることができる。
【0110】
－レーザ光走査部６３－
レーザ光走査部６３は、レーザ光源６１から照射されるレーザ光を、サンプルＳＰの表面上で２次元走査することができる。なお、ここでいう「２次元走査」とは、レーザ光の照射位置をサンプルＳＰの表面上で走査する２次元的な動作を指す。
レーザ光走査部６３は、レーザ光源６１から照射されるレーザ光を、サンプルＳＰの表面上で２次元走査することができる。なお、ここでいう「２次元走査」とは、レーザ光の照射位置をサンプルＳＰの表面上で走査する２次元的な動作を指す。
【0111】
図３Ｂ等に示すように、レーザ光走査部６３は、いわゆる２軸式のガルバノスキャナとして構成されており、第２ビームスプリッタ６２と第１ビームスプリッタ５７との間に配置されている。
【0112】
レーザ光走査部６３は、所定の第１方向と、該１方向に直交する第２方向と、の少なくとも一方（図例では両方）に沿ってレーザ光を走査することができる。具体的に、本実施形態に係るレーザ光走査部６３は、第２ビームスプリッタ６２から入射したレーザ光を第１方向に走査するための第１スキャナ６３ａと、この第１スキャナ６３ａによって走査されたレーザ光を、第２方向に走査しつつ第１ビームスプリッタ５７に向けて反射する第２スキャナ６３ｂと、を有する。
【0113】
本実施形態では「第１方向」とは、前述のように定義されたＸ方向に一致する。また、「第２方向」とは、Ｘ方向と同様に定義されたＹ方向に一致する。もちろん、これらの定義に限られるものではなく、第１方向および第２方向の定義を任意に変更することができる。
【0114】
また、レーザ光走査部６３は、サンプルＳＰの表面上でレーザ光を２次元走査できるように構成されたユニットであればよく、前述したような２軸式のガルバノスキャナには限定されない。例えば、ガラスからなる音響光学媒体に圧電素子を接着し、この圧電素子に電気信号を入力して超音波を発生させることで、音響光学媒体中を通るレーザ光を回折させて光を偏向させる光音響素子方式（レゾナント方式）を用いたり、一列ないし多数列のピンホールを螺旋状に持つ円盤を回転させることで、そのピンホールを通過した光がサンプルＳＰの表面上を２次元的に走査するように構成されたニポウディスク方式を用いたりしてもよい。
【0115】
レーザ光走査部６３を通過したレーザ光は、第１ビームスプリッタ５７によって反射され、第１レンズ５６と、第１ハーフミラー５３と、対物レンズ５４と、を介してサンプルＳＰに照射される。
【0116】
サンプルＳＰに照射されたレーザ光は、該サンプルＳＰによって反射され、観察ユニット２に戻る。具体的に、サンプルＳＰからのレーザ光の反射光は、対物レンズ５４、第１ハーフミラー５３、第１レンズ５６、レーザ光走査部６３を通った後、第２ビームスプリッタ６２により反射されて第２レンズ６４に至る。
【0117】
また、レーザ光走査部６３は、前述した走査制御部８ａが作動させるようになっている。詳しくは、レーザ光走査部６３は、走査制御部８ａと電気的に接続されており、この走査制御部８ａから入力される電気信号を受けて作動するように構成されている。
【0118】
－第２レンズ６４－
第２レンズ６４は、受光部６６における受光素子６６ａの光軸と同軸になるように配置され、第２ビームスプリッタ６２とピンホール板６５との間に位置する。第２レンズ６４は、第２ビームスプリッタ６２からのレーザ光の反射光を集光し、ピンホール板６５を介して受光素子６６ａに入射させる。
第２レンズ６４は、受光部６６における受光素子６６ａの光軸と同軸になるように配置され、第２ビームスプリッタ６２とピンホール板６５との間に位置する。第２レンズ６４は、第２ビームスプリッタ６２からのレーザ光の反射光を集光し、ピンホール板６５を介して受光素子６６ａに入射させる。
【0119】
－ピンホール板６５－
ピンホール板６５は、受光素子６６ａの光軸に直交するように配置された板状部材であり、該板状部材を板厚方向に貫くピンホール６５ａを有する。ピンホール板６５は、第２レンズ６４と受光部６６との間に配置される。第２レンズ６４によって集光されたレーザ光の反射光は、ピンホール６５ａを通過して受光素子６６ａに入射する。
ピンホール板６５は、受光素子６６ａの光軸に直交するように配置された板状部材であり、該板状部材を板厚方向に貫くピンホール６５ａを有する。ピンホール板６５は、第２レンズ６４と受光部６６との間に配置される。第２レンズ６４によって集光されたレーザ光の反射光は、ピンホール６５ａを通過して受光素子６６ａに入射する。
【0120】
前述のように、ピンホール６５ａは、対物レンズ５４の焦点面と共役な位置に配置されており、レーザ光学系６を共焦点光学系として機能させることができる。
【0121】
－受光部６６－
受光部６６は、サンプルＳＰからのレーザ光の反射光を、共焦点光学系（レーザ光学系６）におけるピンホール６５ａを介して受光するとともに、該反射光の受光強度に応じた受光信号を生成する。
受光部６６は、サンプルＳＰからのレーザ光の反射光を、共焦点光学系（レーザ光学系６）におけるピンホール６５ａを介して受光するとともに、該反射光の受光強度に応じた受光信号を生成する。
【0122】
詳しくは、受光部６６は、第２レンズ６４によって集光された反射光を受光するための受光素子６６ａを有する。この受光素子６６ａは、その入射窓に形成された光電面によって、ピンホール６５ａを通じて入射した光を光電変換し、その受光強度に対応した電気信号に変換する。
【0123】
受光素子６６ａは、撮像素子５８ａに比してフレームレートが高いものとすれば好ましい。さらに好ましくは、受光素子６６ａは、撮像素子５８ａに比して感度が高いものとすればよい。具体的に、本実施形態に係る受光素子６６ａは、ＰＭＴ（PhotoMultiplier Tube）からなる光センサによって構成されているが、この構成には限定されない。受光素子６６ａとしては、前述したような撮像素子５８ａを使うこともできるし、例えば、アバランシェダイオードを用いたＨＰＤ（Hybrid Photo Dector）、ＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）等の光検出器を使用することもできる。
【0124】
そして、受光部６６は、受光素子６６ａによって変換された電気信号と、レーザ光の照射位置と、を関連付けることで、被写体の光学像に対応した画像を生成し、これをユニット制御系８等に入力する。受光部６６によって生成される画像（レーザ画像）は、レーザ共焦点法による形状測定に使用したり、サンプルＳＰの表面を観察するために使用したりすることができる。
【0125】
－レーザ共焦点法の基本原理について－
前述のように、ピンホール６５ａは、対物レンズ５４の焦点面と共役になる位置に配置される。したがって、レーザ光源６１から出射されたレーザ光がサンプルＳＰの表面上で焦点を結ぶと、その表面からの反射光は、ピンホール６５ａ付近で収束し、受光素子６６ａ上で焦点を結ぶ。この場合（合焦時）、受光素子６６ａが受光する光量（受光量）は、非合焦時に比して著しく大きくなるため、その受光強度、すなわち各画素で検出される輝度値が大きくなる。
前述のように、ピンホール６５ａは、対物レンズ５４の焦点面と共役になる位置に配置される。したがって、レーザ光源６１から出射されたレーザ光がサンプルＳＰの表面上で焦点を結ぶと、その表面からの反射光は、ピンホール６５ａ付近で収束し、受光素子６６ａ上で焦点を結ぶ。この場合（合焦時）、受光素子６６ａが受光する光量（受光量）は、非合焦時に比して著しく大きくなるため、その受光強度、すなわち各画素で検出される輝度値が大きくなる。
【0126】
一方、レーザ光がサンプルＳＰ上で焦点を結ばない場合（非合焦時）、サンプルＳＰの表面からの反射光は、ピンホール６５ａ付近で収束せずに拡散し、ピンホール板６５によって大部分が遮光される。この場合、受光素子６６ａが受光する光量（受光量）は、合焦時に比して著しく小さくなるため、その受光強度、すなわち各画素で検出される輝度値が小さくなる。
【0127】
ゆえに、走査制御部８ａがレーザ光走査部６３を作動させることで実現されるレーザ光の走査領域のうち、サンプルＳＰの表面上で焦点が合った部位については明るく、一方、それ以外の高さについては暗くなる。そのため、レーザ光の反射光の明暗に基づいて、サンプルＳＰの表面形状（特に、サンプルＳＰの高さを特徴付ける情報）を測定することが可能になる。
【0128】
そうした測定を実行するために、受光部６６は、走査制御部８ａおよびレーザ光走査部６３によって２次元走査されたレーザ光の反射光の受光強度を示す電気信号を、前述した第２表面形状測定部８ｋに入力する。第２表面形状測定部８ｋは、入力された電気信号が示す受光強度（具体的には、反射光の明暗）に基づいて、サンプルＳＰの表面形状を測定するようになっている。
【0129】
このように、レーザ光学系６は、レーザ共焦点法による形状測定を実行可能な光学系であり、実質的に焦点の合った光のみを検出することから、白色干渉法には及ばないものの、フォーカス合成等の他の手法と比較して、高さ方向（Ｚ方向）の精度、および、同方向における分解能に優れた輝度情報を提供することができる。
【0130】
また、レーザ共焦点法による形状測定は、スポット状に照射されるレーザ光を２次元走査して行うものであるから、白色干渉法に比して、水平方向における解像度に優れた輝度情報を提供することができる。
【0131】
（分光干渉用の光学系としての白色光学系５）
図３Ｃは、観察ユニット２のレーザ光学系を例示する模式図である。白色光源５１から照射される白色光は、分光干渉法による膜厚測定に用いることができる。その場合、対物干渉レンズＯｃを分光ユニットＯｓに付け替えるだけで、白色光学系５を流用することができる。
図３Ｃは、観察ユニット２のレーザ光学系を例示する模式図である。白色光源５１から照射される白色光は、分光干渉法による膜厚測定に用いることができる。その場合、対物干渉レンズＯｃを分光ユニットＯｓに付け替えるだけで、白色光学系５を流用することができる。
【0132】
具体的に、分光干渉用の光学系としての白色光学系５は、白色光源５１と、第１ミラー５２と、第１ハーフミラー５３と、分光ユニットＯｓと、光ケーブル１１と、分光器１２と、を備える。
【0133】
このうち、白色光源５１、第１ミラー５２および第１ハーフミラー５３の構成は、既に説明した通りである。白色光源５１から出射された白色光（図３ＣのＬ５参照）は、第１ミラー５２および第１ハーフミラー５３によって反射されて、分光ユニットＯｓに至る。
【0134】
－分光ユニットＯｓ－
図８は、分光ユニットＯｓの構成を例示する斜視図である。また、図９は、分光ユニットＯｓの構成を例示する分解斜視図である。図８および図９に例示されるように、本実施形態に係る分光ユニットＯｓは、アダプタ９１およびブラケット９２からなるユニット本体９と、ユニット本体９に装着される対物レンズ５４と、を有する。
図８は、分光ユニットＯｓの構成を例示する斜視図である。また、図９は、分光ユニットＯｓの構成を例示する分解斜視図である。図８および図９に例示されるように、本実施形態に係る分光ユニットＯｓは、アダプタ９１およびブラケット９２からなるユニット本体９と、ユニット本体９に装着される対物レンズ５４と、を有する。
【0135】
アダプタ９１は、該アダプタ９１とは別体の対物レンズ５４を着脱可能に構成される。具体的に、本実施形態に係るアダプタ９１は、略筒状に構成されており、その上端部にはブラケット９２を装着することができる一方、その下端部には対物レンズ５４を装着することができる。膜厚を測定する場合、対物レンズ５４は、アダプタ９１およびブラケット９２を介して電動レボルバ７４に装着される。なお、アダプタ９１に対物レンズ５４を装着するように構成するのに代えて、アダプタ９１と対物レンズ５４とを一体的に構成してもよい。
【0136】
アダプタ９１は、対物レンズ５４を着脱可能に構成された電動レボルバ７４に着脱可能に構成される。換言すれば、本実施形態に係るアダプタ９１は、対物レンズ５４に代わって（対物レンズ５４と付け替えることで）、電動レボルバ７４に装着可能に構成されている。電動レボルバ７４に対するアダプタ９１の装着は、ブラケット９２を介して実現される。
【0137】
ブラケット９２は、略リング状に形成されており、電動レボルバ７４の下面に設けた貫通孔７４ａに対応した形状を有する。ブラケット９２を付け替えることで、アダプタ９１自体の設計を変更せずとも、多種多様なレーザ共焦点顕微鏡１にアダプタ９１を装着することができるようになる。
【0138】
図３Ｃに例示されるように、アダプタ９１には、サンプルＳＰからの白色光の反射光（図３ＣのＬ６参照）を、カメラとしての撮像部５８に向かう光と、分光器１２に向かう光とに分岐させる光分岐部９１ａが内蔵される。本実施形態に係る光分岐部９１ａは、一面側は略１００％の光を透過させ、他面側は少なくとも一部の光を反射させるハーフミラーによって構成される。光分岐部９１ａは、合流部としての第１ハーフミラー５３と、対物レンズ５４と、の間の光路上に配置される。なお、本実施形態に係るアダプタ９１は、光分岐部９１ａを内蔵したことに起因し、対物レンズ５４よりも大径に構成される。
【0139】
ハーフミラーによって構成される光分岐部９１ａは、白色光源５１から出射されてブラケット９２から入射した白色光を（前記一面側によって）透過させる一方、対物レンズ５４を介して反射されたサンプルＳＰからの反射光の一部を（前記他面側によって）反射させ、他部を透過させる。光分岐部９１ａによって反射された反射光は分光器１２に導かれる一方、光分岐部９１ａを透過した反射光はカメラとしての撮像部５８に至る。アダプタ９１の外面には、分光器１２に通じる光ケーブル１１が接続されていて、光分岐部９１ａによって反射された白色光は、この光ケーブル１１を介して分光器１２に入力される。
【0140】
なお、光分岐部９１ａは、対物レンズ５４に対して相対移動可能な光学素子によって構成してもよい。その場合、光分岐部９１ａは、外部から入力される電気信号を受けて動作することにより、レーザ共焦点顕微鏡１の動作モードに応じて対物レンズ５４と第１ハーフミラー５３を結ぶ光路に対して挿抜することもできる。
【0141】
分光器１２は、光分岐部９１ａによって分岐させた反射光に基づいて、該反射光に含まれる波長毎の受光強度に応じた受光信号を生成する。この分光器１２は、反射光の分光スペクトルを生成するものであり、反射光の波長毎に受光強度を検出し、その検出結果を示す受光信号を生成することができる。分光器１２によって生成された受光信号は、後述の第１膜厚測定部８ｌに入力される。
【0142】
－分光干渉法による膜厚測定の基本原理について－
図１０Ａは、白色光の波長毎の反射率と、サンプルＳＰの膜厚との関係を例示する図である。一般に、基板の表面に膜が存在する場合、膜の表面と、基板の表面（基板および膜の境界面）と、の双方で光が反射する。分光器１２によって受光される反射光は、膜の表面と、基板の表面と、のそれぞれから反射された光の合算となるが、それらの光は干渉し、互いに強め合ったり弱め合ったりする。
図１０Ａは、白色光の波長毎の反射率と、サンプルＳＰの膜厚との関係を例示する図である。一般に、基板の表面に膜が存在する場合、膜の表面と、基板の表面（基板および膜の境界面）と、の双方で光が反射する。分光器１２によって受光される反射光は、膜の表面と、基板の表面と、のそれぞれから反射された光の合算となるが、それらの光は干渉し、互いに強め合ったり弱め合ったりする。
【0143】
この干渉現象は、光の波長、膜厚および屈折率の関係に応じて変化する。そこで、反射光を分光器１２で検出し、その分光スペクトルを生成することで、膜厚を測定することができる。具体的に、図１０Ａに例示されるように、波長に対する反射率の振る舞いをグラフ化する。この反射率は、基板および膜の屈折率に依存するため、それぞれの材料を予め特定しておくことで、膜厚を未定パラメータとしたフィッティングを行うことができる。
【0144】
そうしたフィッティングを実行するために、分光器１２は、白色光の反射光に基づき生成された受光信号を、後述の第１膜厚測定部８ｌに入力する。第１膜厚測定部８ｌは、分光器１２によって生成された受光信号に基づいて前述のフィッティングを実行し、サンプルＳＰの膜厚を測定するように構成されている。
【0145】
また、図１０ＡのグラフＧ１，Ｇ２，Ｇ３に示されるように、サンプルＳＰの膜厚が薄いときには、厚いときに比して反射率は緩慢に変化する。すなわち、サンプルＳＰの膜厚に応じて反射率のグラフ形状が変化することになるから、この関係を逆に辿ることで、反射率に基づいてサンプルＳＰの膜厚を決定することができる。
【0146】
このように、白色光学系５は、対物レンズ５４を分光ユニットＯｓに付け替えることで、分光干渉法による膜厚測定を実行可能な光学系である。分光干渉法による膜厚測定は、レーザ共焦点法を用いた膜厚測定に比して、より小さな膜厚を測定することができる。
【0147】
（レーザ共焦点法による膜厚測定の基本原理について）
図１０Ｂは、レーザ光の反射光に起因する受光強度と、サンプルＳＰの膜厚の関係を例示する図である。サンプルＳＰの膜厚は、レーザ共焦点法を用いて測定することもできる。例えば、基板上に膜を形成してなるサンプルＳＰにレーザ光を照射して、その反射光を共焦点光学系を介して受光した場合、受光素子６６ａにおいて検出される受光強度は、膜の表面からの反射光に起因したピークと、基板の表面からの反射光に起因したピークと、を含むことになる。この場合、ピーク間の距離を測定することで、膜厚を測定することができる。レーザ共焦点法による膜厚測定は、後述の第２膜厚測定部８ｍが実行するように構成されている。
図１０Ｂは、レーザ光の反射光に起因する受光強度と、サンプルＳＰの膜厚の関係を例示する図である。サンプルＳＰの膜厚は、レーザ共焦点法を用いて測定することもできる。例えば、基板上に膜を形成してなるサンプルＳＰにレーザ光を照射して、その反射光を共焦点光学系を介して受光した場合、受光素子６６ａにおいて検出される受光強度は、膜の表面からの反射光に起因したピークと、基板の表面からの反射光に起因したピークと、を含むことになる。この場合、ピーク間の距離を測定することで、膜厚を測定することができる。レーザ共焦点法による膜厚測定は、後述の第２膜厚測定部８ｍが実行するように構成されている。
【0148】
また、図１０ＢのグラフＧ４，Ｇ５に示されるように、サンプルＳＰの膜厚が厚いときには、薄いときに比してピーク間の距離が長くなる。このとき、ピーク間の距離、ひいては膜厚を高精度で測定することができるようになる。そのため、レーザ共焦点法による膜厚測定は、分光干渉法による膜厚測定に比して、膜厚が厚い場合に適したものとなる。
【0149】
一方、膜厚が相対的に薄い場合は、厚い場合に比してピーク間の距離が短くなり、２つのピークを判別することが困難になる。そのため、レーザ共焦点法による膜厚測定は、分光干渉法による膜厚測定に比して、膜厚が薄い場合には不向きなものとなる。
【0150】
（ユニット駆動系７）
図４は、レーザ共焦点顕微鏡１の構成を例示するブロック図である。ユニット駆動系７は、レーザ共焦点顕微鏡１の各部を駆動するものであり、対物レンズ５４を変更したり、対物レンズ５４に対するステージ２３の高さ位置を調整したり、そのステージ２３を水平方向に沿って移動させたりするシステムとして構成される。ユニット駆動系７の各構成要素は、それぞれ、ユニット制御系８と電気的に接続されており、ユニット制御系８から入力される電気信号を受けて作動する。
図４は、レーザ共焦点顕微鏡１の構成を例示するブロック図である。ユニット駆動系７は、レーザ共焦点顕微鏡１の各部を駆動するものであり、対物レンズ５４を変更したり、対物レンズ５４に対するステージ２３の高さ位置を調整したり、そのステージ２３を水平方向に沿って移動させたりするシステムとして構成される。ユニット駆動系７の各構成要素は、それぞれ、ユニット制御系８と電気的に接続されており、ユニット制御系８から入力される電気信号を受けて作動する。
【0151】
具体的に、ユニット駆動系７は、図１、図２、図４等に例示されるように、Ｚ方向駆動部７１と、高さ位置検知部７２と、ＸＹ方向駆動部７３と、電動レボルバ７４と、を備える。Ｚ方向駆動部７１は、本実施形態における「駆動部」の例示である。
【0152】
－Ｚ方向駆動部７１－
Ｚ方向駆動部７１は、対物レンズ５４に対するステージ２３の高さ位置を相対的に変化させるものである。具体的に、Ｚ方向駆動部７１は、例えばステッピングモータと、該ステッピングモータにおける出力軸の回転運動を、上下方向（Ｚ方向）の直線運動に変換する運動変換機構と、を有する。Ｚ方向駆動部７１は、ヘッド部２２に内蔵される。
Ｚ方向駆動部７１は、対物レンズ５４に対するステージ２３の高さ位置を相対的に変化させるものである。具体的に、Ｚ方向駆動部７１は、例えばステッピングモータと、該ステッピングモータにおける出力軸の回転運動を、上下方向（Ｚ方向）の直線運動に変換する運動変換機構と、を有する。Ｚ方向駆動部７１は、ヘッド部２２に内蔵される。
【0153】
Ｚ方向駆動部７１のステッピングモータを回転させることにより、電動レボルバ７４と、その電動レボルバ７４に装着された対物レンズ５４と、がＺ方向に沿って一体的に移動する。
【0154】
例えば、ステージ２３が固定された状態で対物レンズ５４をＺ方向に移動させることで、結果的に、対物レンズ５４に対するステージ２３の高さ位置を相対的に変更することができる。なお、対物レンズ５４が固定された状態でステージ２３をＺ方向に移動させるように構成してもよい。
【0155】
なお、Ｚ方向駆動部７１は、対物レンズ５４に対するステージ２３の相対的な高さ位置（以下、「相対距離」と呼称したり、或いは、単に「高さ位置」と呼称したりする）を、最小で１ｎｍ程度のピッチサイズで調整することができる。
【0156】
－高さ位置検知部７２－
高さ位置検知部７２は、対物レンズ５４とステージ２３との間の相対距離を検出し、その相対距離に対応した電気信号を出力することができる。この電気信号は、ユニット制御系８に入力される。
高さ位置検知部７２は、対物レンズ５４とステージ２３との間の相対距離を検出し、その相対距離に対応した電気信号を出力することができる。この電気信号は、ユニット制御系８に入力される。
【0157】
具体的に、高さ位置検知部７２は、例えばリニアスケール（リニアエンコーダ）等で構成することができる。高さ位置検知部７２は、対物レンズ５４とステージ２３との間の相対距離の変化が１ｎｍ程度であっても検知可能である。
【0158】
本実施形態では、ステージ２３が固定された状態で対物レンズ５４をＺ方向に移動させることで、前述の相対距離を変化させる。そのときの移動量をリニアスケールで検出することで、対物レンズ５４に対するステージ２３の相対的な高さ位置を検知することができる。同様に、対物レンズ５４が固定された状態でステージ２３をＺ方向に移動させる場合にあっても、同様に高さ位置を検知することができる。
【0159】
－ＸＹ方向駆動部７３－
ＸＹ方向駆動部７３は、ステージ２３を水平方向に移動させるための機構である。すなわち、ステージ２３は、図１に例示されるステージ支持部材２４とは別体とされており、このステージ支持部材２４に対して水平方向に移動可能に支持されている。
ＸＹ方向駆動部７３は、ステージ２３を水平方向に移動させるための機構である。すなわち、ステージ２３は、図１に例示されるステージ支持部材２４とは別体とされており、このステージ支持部材２４に対して水平方向に移動可能に支持されている。
【0160】
具体的に、ＸＹ方向駆動部７３は、例えばリニアモータ等のアクチュエータで構成することができる。このアクチュエータは、ステージ支持部材２４に対するステージ２３の相対的な位置を、Ｘ方向およびＹ方向に沿って所定の範囲内で移動させることができる。
【0161】
－電動レボルバ７４－
図１１は、電動レボルバ７４の側面図である。電動レボルバ７４は、電動式の変倍機構として構成されており、所定の中心軸Ｃまわりに回転する。電動レボルバ７４は、本実施形態における「レボルバ」の例示である。
図１１は、電動レボルバ７４の側面図である。電動レボルバ７４は、電動式の変倍機構として構成されており、所定の中心軸Ｃまわりに回転する。電動レボルバ７４は、本実施形態における「レボルバ」の例示である。
【0162】
電動レボルバ７４は、中心軸Ｃを取り囲むように、複数の対物レンズ５４と、分光ユニットＯｓ（アダプタ９１）とを取付可能に構成される。複数の対物レンズ５４を着脱可能とするために、電動レボルバ７４の下面には、中心軸Ｃを取り囲むように配置された複数の貫通孔７４ａが設けられている。白色光学系５およびレーザ光学系６は、電動レボルバ７４を中心軸Ｃまわりに回転させたり、その貫通孔７４ａに装着される対物レンズ５４を交換したりすることで、サンプルＳＰの各第倍率を変更可能に構成される。
【0163】
ここで、電動レボルバ７４に装着可能な対物レンズ５４には、リング照明５４ａが装着された対物レンズ５４と、リング照明５４ａを非装着とした対物レンズ５４と、分岐光学系５５と一体化されて干渉対物レンズＯｃを構成する対物レンズ５４と、が含まれる。
【0164】
電動レボルバ７４にはまた、前述の分光ユニットＯｓ（アダプタ９１）を装着することもできる。したがって、電動レボルバ７４に取り付けられた対物レンズ５４または干渉対物レンズＯｃを取り外し、これを分光ユニットＯｓに付け替えるという比較的平易な作業を行うことで、レーザ共焦点法または白色干渉法による測定を行うための光学系（図３Ａおよび図３Ｂに例示される光学系）を、図３Ｃに例示されるような、分光干渉法による膜厚測定を行うための光学系に切り替えることができる。
【0165】
同様に、電動レボルバ７４に取り付けられた分光ユニットＯｓを取り外し、これを対物レンズ５４または干渉対物レンズＯｃに付け替えるだけで、分光干渉法による膜厚測定を行うための光学系を、レーザ共焦点法または白色干渉法による測定を行うための光学系に切り替えることができる。
【0166】
さらに、電動レボルバ７４に分光ユニットＯｓを取り付けた状態において、そのアダプタ９１に装着された対物レンズ５４を取り外し、拡大倍率の異なる別の対物レンズ５４に付け替えるという平易な操作を行うことで、拡大倍率を変更しながらサンプルＳＰの膜厚を測定することもできる。
【0167】
電動レボルバ７４を回転させることで、複数の対物レンズ５４のうちの１つを選択し、これをステージ２３上に載置されたサンプルＳＰと対峙させることができる。なお、複数の対物レンズ５４のうち、どの対物レンズ５４が選択されているかを示す情報は、ユニット制御系８の記憶装置８２に記憶される。
【0168】
電動レボルバ７４を制御することで、白色光学系５およびレーザ光学系６の倍率を変更したり、白色干渉法に必要な干渉対物レンズＯｃをサンプルＳＰに対峙させたりすることができる。電動レボルバ７４に加えて、または電動レボルバ７４に代えて、電動ズームレンズからなる単レンズ式の対物レンズ（図示せず）を用いてもよい。
【0169】
【0170】
（ユニット制御系８）
図５は、ユニット制御系８の構成を例示するブロック図である。ユニット制御系８は、観察ユニット２における白色光学系５、レーザ光学系６およびユニット駆動系７の各部に制御信号を出力し、それらの動作を制御したり、各部からの検出信号を受けて、サンプルＳＰの表面形状および膜厚を測定したりするものである。
図５は、ユニット制御系８の構成を例示するブロック図である。ユニット制御系８は、観察ユニット２における白色光学系５、レーザ光学系６およびユニット駆動系７の各部に制御信号を出力し、それらの動作を制御したり、各部からの検出信号を受けて、サンプルＳＰの表面形状および膜厚を測定したりするものである。
【0171】
ユニット制御系８はまた、観察ユニット２に加えてさらに、操作用端末４とも電気的に接続されており、表面形状の測定結果を表示部４１上に表示する一方、キーボード４２、マウス４３等に対する操作入力に基づいて、観察ユニット２の各部に入力する制御信号を生成することもできる。
【0172】
なお、図４に示す例では、ユニット制御系８は、観察ユニット２に設けられているが、その構成には限定されない。ユニット制御系８は、外部ユニット３に設けられてもよいし、操作用端末４に設けられてもよい。
【0173】
具体的に、本実施形態に係るユニット制御系８は、ＣＰＵ、システムＬＳＩ、ＤＳＰ等からなる処理装置８１と、揮発性メモリ、不揮発性メモリ等からなる記憶装置８２と、入出力バス８３と、を有する。また、ユニット制御系８は、論理回路によって実現されてもよいし、ソフトウェアを実行することによって実現されてもよい。
【0174】
詳しくは、図４に例示されるように、ユニット制御系８には、少なくとも、白色光源５１、リング照明５４ａ、撮像素子５８ａ、レーザ光源６１、レーザ光走査部６３、受光素子６６ａ、Ｚ方向駆動部７１、高さ位置検知部７２、ＸＹ方向駆動部７３および電動レボルバ７４が電気的に接続されている。ユニット制御系８によって、白色光源５１、リング照明５４ａ、レーザ光源６１、レーザ光走査部６３、Ｚ方向駆動部７１、ＸＹ方向駆動部７３および電動レボルバ７４が制御される。また、撮像素子５８ａ、受光素子６６ａ、高さ位置検知部７２および分光器１２の出力信号は、ユニット制御系８に入力される。
【0175】
具体的に、本実施形態に係るユニット制御系８は、図５に例示されるように、主たる構成要素として、走査制御部８ａと、駆動制御部８ｂと、表示制御部８ｃと、モード切替部８ｄと、合焦演算部８ｅと、焦点調整部８ｆと、明るさ調整部８ｇと、傾き調整部８ｈと、測定範囲設定部８ｉと、第１表面形状測定部８ｊと、第２表面形状測定部８ｋと、第１膜厚測定部８ｌと、第２膜厚測定部８ｍと、を有する。第１表面形状測定部８ｉ、第２表面形状測定部８ｋ、第１膜厚測定部８ｌおよび第２膜厚測定部８ｍは、本実施形態における測定部８０を構成する。この測定部８０は、レーザ共焦点法に基づいたサンプルＳＰの表面形状の測定等、種々の測定を実行することができる。
【0176】
－走査制御部８ａ－
走査制御部８ａは、前述のようにレーザ光走査部６３と電気的に接続されており、その作動を制御する。レーザ光走査部６３は、走査制御部８ａから入力された制御信号に従って、サンプルＳＰの表面上に定められた走査範囲内を２次元的または１次元的に走査することができる。走査範囲の設定は、レーザ共焦点顕微鏡１が果たす機能に応じて、適宜変更可能である。
走査制御部８ａは、前述のようにレーザ光走査部６３と電気的に接続されており、その作動を制御する。レーザ光走査部６３は、走査制御部８ａから入力された制御信号に従って、サンプルＳＰの表面上に定められた走査範囲内を２次元的または１次元的に走査することができる。走査範囲の設定は、レーザ共焦点顕微鏡１が果たす機能に応じて、適宜変更可能である。
【0177】
－駆動制御部８ｂ－
駆動制御部８ｂは、ユニット駆動系７の各部を制御する。具体的に、駆動制御部８ｂは、Ｚ方向駆動部７１を制御することでステージ２３の高さ位置を変更したり、ＸＹ方向駆動部７３を制御することでステージ２３の水平位置を変更したり、電動レボルバ７４を制御することで対物レンズ５４を切り替えたりすることができる。
駆動制御部８ｂは、ユニット駆動系７の各部を制御する。具体的に、駆動制御部８ｂは、Ｚ方向駆動部７１を制御することでステージ２３の高さ位置を変更したり、ＸＹ方向駆動部７３を制御することでステージ２３の水平位置を変更したり、電動レボルバ７４を制御することで対物レンズ５４を切り替えたりすることができる。
【0178】
－表示制御部８ｃ－
表示制御部８ｃは、操作用端末４の表示部４１と電気的に接続されており、表示部４１上での表示態様を制御する。具体的に、本実施形態に係る表示制御部８ｃは、第１表面形状測定部８ｊ、第２表面形状測定部８ｋ等による測定結果を表示させたり、撮像部５８によって生成されたカメラ画像を表示させたり、その他、各種インターフェースを表示させたりすることができる。
表示制御部８ｃは、操作用端末４の表示部４１と電気的に接続されており、表示部４１上での表示態様を制御する。具体的に、本実施形態に係る表示制御部８ｃは、第１表面形状測定部８ｊ、第２表面形状測定部８ｋ等による測定結果を表示させたり、撮像部５８によって生成されたカメラ画像を表示させたり、その他、各種インターフェースを表示させたりすることができる。
【0179】
－モード切替部８ｄ－
ここまでに説明したように、レーザ共焦点顕微鏡１は、主たる機能として、レーザ光または白色光を光源としたサンプルＳＰの観察、レーザ共焦点法または白色干渉法を用いたサンプルＳＰの測定等を実行することができる。
ここまでに説明したように、レーザ共焦点顕微鏡１は、主たる機能として、レーザ光または白色光を光源としたサンプルＳＰの観察、レーザ共焦点法または白色干渉法を用いたサンプルＳＰの測定等を実行することができる。
【0180】
モード切替部８ｄは、キーボード４２およびマウス４３を介したユーザの操作入力に基づいて、これらの機能を使い分けることができる。具体的に、本実施形態に係るモード切替部８ｄは、ユーザの操作入力に基づいて、例えば、サンプルＳＰの表面形状を測定する第１モードと、サンプルＳＰの膜厚を測定する第２モードと、サンプルＳＰを観察するための第３モードと、を含んだモード群の中から１つのモードを選択し、これを実行させることができる。後述のように、ユーザの操作入力は、表示部４１上に表示させたインターフェースを介して行われるようになっている。なお、前記３つの動作モードのうち、第３モードは必須ではない。レーザ共焦点顕微鏡１は、少なくとも第１モードと第２モードのみを実行可能に構成すればよい。
【0181】
なお、前述のように、サンプルＳＰの膜厚測定は、分光干渉法およびレーザ共焦点法の一方を用いて行うことができる。そこで、本実施形態に係るモード切替部８ｄは、第３モードが選択された場合、第１膜厚測定部８ｌによって分光干渉法に基づいて膜厚を測定する第１のサブモードと、第２膜厚測定部８ｍによってレーザ共焦点法に基づいて膜厚を測定する第２のサブモードと、のうちの一方をユーザの操作入力に基づいて実行させることができる。
【0182】
－合焦演算部８ｅ－
合焦演算部８ｅは、レーザ光学系６によるレーザ共焦点法を用いることで、対物レンズ５４のフォーカスをサンプルＳＰの表面上に一致させる（換言すれば、レーザ共焦点法による「オートフォーカス」を実行する）。レーザ共焦点法によって調整されたフォーカスは、レーザ共焦点法による表面形状の測定と、白色干渉法による表面形状の測定と、の双方に用いられる。
合焦演算部８ｅは、レーザ光学系６によるレーザ共焦点法を用いることで、対物レンズ５４のフォーカスをサンプルＳＰの表面上に一致させる（換言すれば、レーザ共焦点法による「オートフォーカス」を実行する）。レーザ共焦点法によって調整されたフォーカスは、レーザ共焦点法による表面形状の測定と、白色干渉法による表面形状の測定と、の双方に用いられる。
【0183】
すなわち、図８に示すように、本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、白色干渉法を用いてサンプルＳＰの表面形状を測定する場合であっても、レーザ共焦点法を用いてフォーカスを合わせるように構成されている。
【0184】
なお、フォーカスを合わせる際には、対物レンズ５４として、白色干渉用の干渉対物レンズＯｃ（第１対物レンズ）を使用してもよいし、その干渉対物レンズＯｃとは異なる非白色干渉用の対物レンズ５４を使用してもよい。
【0185】
具体的に、本実施形態に係る合焦演算部８ｅは、ステージ２３または対物レンズ５４の各高さ位置で、レーザ光学系６の受光部６６によって生成された受光信号に基づいて、対物レンズ５４の焦点がサンプルＳＰの表面に一致する合焦位置を算出する。合焦演算部８ｅは、本実施形態における「演算部」の例示である。
【0186】
ここで、「ステージ２３または対物レンズ５４の各高さ位置」とは、高さ位置検知部７２によって検知可能な、対物レンズ５４に対するステージ２３の相対的な高さ位置を指す。この高さ位置は、対物レンズ５４の先端面（Ｚ方向における先端面）と、ステージ２３の上面との間の距離とすることができるが、これに限られるものではなく、対物レンズ５４の所定部位と、ステージ２３の所定部位とのＺ方向の離間距離とすることができる。前述のように、高さ位置は「Ｚ位置」とも呼称される。
【0187】
また、以下の記載において、「高さ位置同士の間隔（Ｚピッチ）」とは、オートフォーカス、明るさ調整、測定時の高さ範囲（測定範囲）の設定、表面形状の測定等、白色光学系５において干渉画像を生成する場合、および、レーザ光学系６においてレーザ光を受光する場合における高さ位置の間隔（Ｚ方向における対物レンズ５４またはステージ２３の移動間隔）を指す。
【0188】
さらに、以下の記載において、「Ｚ位置を上方に移動させる」とは、ステージ２３およびサンプルＳＰに対して対物レンズ５４を上方に移動させるか、あるいは、対物レンズ５４に対してステージ２３およびサンプルＳＰを下方に移動させること、すなわち、ステージ２３およびサンプルＳＰと、対物レンズ５４とをＺ方向において離間させることをいう。
【0189】
同様に、「Ｚ位置を下方に移動させる」とは、ステージ２３およびサンプルＳＰに対して対物レンズ５４を下方に移動させるか、あるいは、対物レンズ５４に対してステージ２３およびサンプルＳＰを上方に移動させること、すなわち、ステージ２３およびサンプルＳＰと、対物レンズ５４とをＺ方向において接近させることをいう。
【0190】
詳しくは、合焦演算部８ｅは、駆動制御部８ｂを介して前記高さ位置を変化させながら、各高さ位置でレーザ光を照射させて受光信号を取得する。前述したように、レーザ光がサンプルＳＰの表面上で焦点を結ぶと、受光素子６６ａが受光する光量（受光量）は、非合焦時に比して著しく大きくなり、その受光強度が相対的に大きくなる。
【0191】
そのため、合焦演算部８ｅは、図６Ｂに例示されるように、高さ位置（Ｚ位置）に対する受光強度の変化を示す曲線（以下、「Ｚ－Ｉカーブ」と呼称する）をモニターし、受光強度がピークを迎える高さ位置を探索する。そうした探索された高さ位置が、合焦位置Ｚｐとして決定される。この合焦位置Ｚｐは、記憶装置８２に一時的にまたは継続的に記憶され、焦点調整部８ｆに入力される。
【0192】
また、合焦位置Ｚｐの探索に用いられる高さ位置は、離散的なものとなる。この高さ位置同士の間隔（Ｚピッチ）は、Ｚ－Ｉカーブの半値幅に応じて設定される。具体的に、Ｚ－Ｉカーブの半値幅が狭いと想定される場合には、それが広いと想定される場合に比して、Ｚピッチはより狭く設定される。ここで、Ｚ－Ｉカーブの半値幅は、対物レンズ５４の開口数が大きいときには、それが小さいときに比して狭くなる。対物レンズ５４の開口数は、一般的に、そのレンズ倍率が高倍率になるにしたがって、大きくなる。
【0193】
以上の知見を踏まえ、本実施形態に係る合焦演算部８ｅは、対物レンズ５４の拡大倍率が高くなるにしたがって、前述のように定義したＺピッチをより狭く設定するように構成される。具体的に、合焦演算部８ｅは、駆動制御部８ｂを介してＺ方向駆動部７１を作動させることでステージまたは対物レンズ５４の高さ位置を調整する際に、その高さ位置をより狭いＺピッチで変更し、各高さ位置で受光信号を取得する。このように、対物レンズ５４の拡大倍率に応じて、受光信号が取得されるＺピッチを変更することができる。
【0194】
本願発明者らは、Ｚピッチに係る検討をさらに進めた結果、レーザ共焦点顕微鏡１が実行する機能に応じて、Ｚピッチの大きさを調整することを新たに見出した。
【0195】
具体的に、本実施形態では、ステージ２３の各高さ位置同士の間隔（Ｚピッチ）は、合焦演算部８ｅが合焦位置Ｚｐを算出する場合には、第２表面形状測定部８ｋがレーザ共焦点法を用いてサンプルＳＰの表面形状を測定する場合に比して広くなるように設定される。
【0196】
つまり、合焦演算部８ｅが合焦位置Ｚｐを探索するときは、第２表面形状測定部８ｋが表面形状を測定するときほど、受光強度の測定精度が要求されない。そこで、図６Ｄに例示されるように、合焦位置Ｚｐが探索されるとき（合焦演算部８ｅが合焦位置Ｚｐを探索するとき）には、表面形状が測定されるとき（測定部８０がサンプルＳＰの表面形状を測定するとき）に比して、Ｚピッチをより粗く設定することが許容される。以下、合焦位置Ｚｐが探索される際に用いるＺピッチを「第１ピッチ」と呼称する場合がある。
【0197】
例えば図６Ｄにおいて、黒色で塗り潰されたプロットは合焦位置Ｚｐが探索されるとき（オートフォーカス時）に用いられる高さ位置を指し、クロス状のプロットは表面形状の測定時に用いられる高さ位置を指す。図６Ｄに示されるように、本実施形態に係る第１ピッチは、表面形状が測定されるときに用いられるＺピッチである後述の第４ピッチに比して粗く（広く）設定することができる。
【0198】
また、合焦位置Ｚｐの探索は、放物線、ガウス関数等によって、各高さ位置で測定された受光強度をフィッティングすることで実行することができる。フィッティングの詳細は省略する。
【0199】
また、前述のように、合焦位置Ｚｐを探索するときには、各高さ位置でレーザ光が出射される。そのときのレーザ光の走査範囲は、合焦位置Ｚｐの探索に適した範囲に設定することができる。
【0200】
具体的に、走査制御部８ａは、ステージ２３の各高さ位置においてレーザ光走査部６３を作動させることで、合焦演算部８ｅによる合焦位置Ｚｐの算出に際してレーザ光を走査する。そのとき、レーザ光の走査範囲は、合焦演算部８ｅが合焦位置Ｚｐを算出する場合には、第２表面形状測定部８ｋがレーザ共焦点法に基づいて表面形状を測定する場合に比して狭く設定することができる（図６Ｄを参照）。
【0201】
詳しくは、レーザ光の走査範囲は、合焦演算部８ｅが合焦位置Ｚｐを算出する場合には、第２表面形状測定部８ｋが表面形状を測定する場合に比して、第１および第２方向のうちの一方における寸法が短く設定され得る。
【0202】
さらに詳しくは、本実施形態では、合焦演算部８ｅが合焦位置Ｚｐを算出する場合、走査制御部８ａは、第１方向としてのＸ方向に沿ってレーザ光をライン状に走査する。この場合、第２方向としてのＹ方向における寸法が短くなるように走査範囲が設定されることになる。ここで、互いに平行に並んだ数列にわたってレーザ光を走査してもよい。
【0203】
あるいは、前述の構成を実施する代わりに、レーザ光のスキャン間隔（レーザ光の照射位置Ｐｓ同士の間隔）は、合焦演算部８ｅが合焦位置Ｚｐを算出する場合には、第２測定部８ｌが表面形状を測定する場合に比して広くなるように設定することもできる（間引きスキャン）。これにより、オートフォーカスを高速で行うことができる。
【0204】
－焦点調整部８ｆ－
焦点調整部８ｆは、駆動制御部８ｂを介してＺ方向駆動部７１を作動させてステージ２３または対物レンズ５４の高さ位置を調整することによって、該高さ位置を合焦演算部８ｅによって算出された合焦位置Ｚｐに一致させる。
焦点調整部８ｆは、駆動制御部８ｂを介してＺ方向駆動部７１を作動させてステージ２３または対物レンズ５４の高さ位置を調整することによって、該高さ位置を合焦演算部８ｅによって算出された合焦位置Ｚｐに一致させる。
【0205】
焦点調整部８ｆが高さ位置を調整することで、対物レンズ５４のフォーカスをサンプルＳＰ上に合わせることができ、そのサンプルＳＰの測定に適した状態が実現される。
【0206】
なお、焦点調整部８ｆによる高さ位置の調整は、第１表面形状測定部８ｊまたは第２表面形状測定部８ｋによる表面形状の測定時に加えて、レーザ画像またはカメラ画像による観察、後述の明るさ調整部８ｇによる明るさ調整、傾き調整部８ｈによる傾き調整、並びに、測定範囲設定部８ｉによる高さ範囲の設定等に際して実行される。これにより、フォーカスを合わせた状態から各種処理を開始させることができ、その高速化を図ることができる。
【0207】
－明るさ調整部８ｇ－
合焦演算部８ｅおよび焦点調整部８ｆによる処理は、レーザ光を用いた処理となるため、焦点調整部８ｆがフォーカスを合わせた時点では、適切な露光時間等、白色光の設定は不明である。レーザ共焦点法によるオートフォーカスと、白色干渉法による形状測定と、をスムースに組み合わせるためには、オートフォーカス後に、白色光の設定を行う必要がある。
合焦演算部８ｅおよび焦点調整部８ｆによる処理は、レーザ光を用いた処理となるため、焦点調整部８ｆがフォーカスを合わせた時点では、適切な露光時間等、白色光の設定は不明である。レーザ共焦点法によるオートフォーカスと、白色干渉法による形状測定と、をスムースに組み合わせるためには、オートフォーカス後に、白色光の設定を行う必要がある。
【0208】
そこで、明るさ調整部８ｇは、焦点調整部８ｆによって高さ位置が調整された状態で、白色光源５１から照射される白色光の明るさの調整を開始する。ここでの調整対象は、白色光源５１そのもの制御パラメータに加えて、白色光を受光するための撮像素子５８ａを特徴付けるパラメータも含む。例えば、明るさ調整部８ｇは、白色光の明るさを調整するべく、撮像素子５８ａの露光時間とゲインの少なくとも一方を調整することができる。
【0209】
具体的に、本実施形態に係る明るさ調整部８ｇは、合焦演算部８ｅによって算出された合焦位置Ｚｐを基準とした開始位置を設定し、その開始位置からステージ２３または対物レンズ５４の高さ位置を上方または下方に向かって所定のＺピッチ（第２ピッチ）で変化させる。明るさ調整部８ｇは、第２ピッチで変化させた各高さ位置で白色光源５１から白色光を照射させる。その際の第２ピッチの大きさは、対物レンズ５４の開口数等には依存せず、白色光の波長に基づいて決定される。
【0210】
例えば図６Ｃにおいて、黒色で塗り潰されたプロットは明るさ調整部８ｇが白色光の明るさを調整するとき（明るさ調整時）に用いられる高さ位置を指す。図６Ｃに示されるように、明るさ調整時に用いられる高さ位置は、合焦位置Ｚｐを含んだ所定範囲内に設定することができる。
【0211】
なお、本実施形態に係る明るさ調整部８ｇは、合焦位置Ｚｐを開始位置に設定するように構成されているが、この構成には限定されない。例えば、合焦位置ＺｐからＺ方向に沿って上方または下方に変位させた高さ位置を開始位置とし、その開始位置からステージ２３または対物レンズ５４を下方または上方に向かって第２ピッチで移動させることで高さ位置を変化させてもよい。
【0212】
明るさ調整部８ｇは、高さ位置を異ならせた状態で生成した複数の干渉画像に基づいて、白色光の明るさを調整する。具体的に、明るさ調整部８ｇは、撮像部５８を介して生成された干渉画像のうち、相対的に明るい画素（特に、本実施形態では最も明るい画素）を含んだ干渉画像を選択する。干渉画像の選択は、例えば、各干渉画像の生成に用いた受光強度を画素毎に比較することで行うことができる。
【0213】
明るさ調整部８ｇは、選択された干渉画像（最も明るい干渉画像）中の各画素が非飽和となる範囲内で白色光源５１の明るさを調整する。詳しくは、明るさ調整部８ｇは、選択された干渉画像中の各画素が所定の上限値を下回る範囲内で、干渉画像が可能な限り明るくなるよう撮像素子５８ａの露光時間とゲインを調整し、最適なパラメータを決定する。決定されたパラメータは、記憶装置８２等に入力され、一時的にまたは継続的に記憶される。
【0214】
－傾き調整部８ｈ－
傾き調整部８ｈは、ステージ２３の傾きを算出し、これを補正するものである。詳細は省略するが、傾きの補正方法としては、電動式ステージを用いた自動調整等、任意の方法を用いることができる。
傾き調整部８ｈは、ステージ２３の傾きを算出し、これを補正するものである。詳細は省略するが、傾きの補正方法としては、電動式ステージを用いた自動調整等、任意の方法を用いることができる。
【0215】
傾きの補正は、好ましくは、白色光を用いた観察または測定時に行うことができる。
【0216】
－測定範囲設定部８ｉ－
図７は、合焦位置Ｚｐと、その合焦位置Ｚｐを基準として設定される開始位置を用いた高さ範囲の設定手順と、そうして設定された高さ範囲を分割することで取得される第４ピッチと、の関係を模式化した図である。
図７は、合焦位置Ｚｐと、その合焦位置Ｚｐを基準として設定される開始位置を用いた高さ範囲の設定手順と、そうして設定された高さ範囲を分割することで取得される第４ピッチと、の関係を模式化した図である。
【0217】
表面形状の測定は、合焦位置Ｚｐの周辺で、ステージ２３または対物レンズ５４の高さ位置を変化させることで行うことができる。このときに用いられる高さ位置の範囲（以下、「高さ範囲」という）は、白色干渉法およびレーザ共焦点のうちの一方を用いて設定することができる。
【0218】
本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、白色干渉法を用いて高さ範囲を設定する測定範囲設定部８ｉを備える。測定範囲設定部８ｉに加えて、または、この測定範囲設定部８ｉに代えて、レーザ共焦点法を用いて高さ範囲を設定可能な第２の測定範囲設定部を備えてもよい。
【0219】
ここで、図７に示されるように、測定範囲設定部８ｉによって設定される高さ範囲は、少なくとも合焦位置Ｚｐを含むように設定される。すなわち、高さ範囲は、合焦位置Ｚｐ以上となるように設定される上限位置と、合焦位置Ｚｐ以下となるように設定される下限位置と、によって区画される範囲として設定される。
【0220】
本実施形態では、測定範囲設定部８ｉは、下限位置を設定した後に上限位置を設定するが、その設定には限定されない。上限位置を設定した後に下限位置を設定してもよい。
【0221】
さらに、本実施形態に係る測定範囲設定部８ｉは、上限位置と下限位置とが設定された状態で、上限位置と下限位置との間隔を等間隔で分割することで、第１表面形状測定部８ｊまたは第２表面形状測定部８ｋがサンプルＳＰの表面形状を測定する場合における、ステージ２３の各高さ位置を設定する。
【0222】
具体的に、測定範囲設定部８ｉは、合焦演算部８ｅによって合焦位置Ｚｐが演算された後、焦点調整部８ｆによってステージ２３の相対的な高さ位置が調整された状態（高さ位置が合焦位置Ｚｐに調整された状態）で、撮像部５８により撮像された干渉画像に基づいた高さ範囲の設定を開始する。
【0223】
ここで、測定範囲設定部８ｉは、ステージ２３または対物レンズ５４の高さ位置を変化させた状態で撮像部５８を介して干渉画像を生成するとともに、各高さ位置で生成された干渉画像から干渉縞のピーク位置を算出し、そのピーク位置の算出に成功した画素数が、画面内で所定の第１閾値を上回るか否かを判定する。そして、第１測定範囲設定部８ｉは、第１閾値を上回る範囲（特に、Ｚ方向に沿った範囲）として、高さ範囲を設定する。
【0224】
すなわち、干渉画像から干渉縞が見出される場合にあっても、その干渉縞のピーク位置が画面内の極一部を占める場合には、白色干渉法による測定を行うには不都合であると考えられる。そこで、干渉縞のピーク位置の算出に成功した画素数に基づいた設定を行うことで、より適切に高さ範囲を設定することができるようになる。
【0225】
なお、干渉画像を構成する画素の数は、高さ範囲を設定するときには、表面形状を測定するときに比して削減してもよい。これにより、高さ範囲を高速で設定することができる。また、判定の指標となる第１閾値は、基本的には記憶装置８２に記憶されているものの、外部からの操作入力等に基づいて、適宜変更することができる。
【0226】
また、図７に示されるように、測定範囲設定部８ｉは、高さ範囲の設定に際してステージ２３または対物レンズ５４の高さ位置を変化させるときには、合焦演算部８ｅによって算出された合焦位置Ｚｐを基準とした開始位置を設定し、その開始位置からステージ２３または対物レンズ５４を上方または下方に向かって所定のＺピッチ（第３ピッチ）で移動させる。
【0227】
なお、図７の中央図に示されるように、本実施形態に係る測定範囲設定部８ｉは、合焦位置Ｚｐを開始位置に設定するように構成されている。しかしながら、本開示は、そうした構成には限定されない。例えば、合焦位置ＺｐからＺ方向に沿って上方または下方に変位させた高さ位置を開始位置（この場合、開始位置≠合焦位置Ｚｐとなる）とし、その開始位置からステージ２３または対物レンズ５４を下方または上方に向かって第３ピッチで移動させることで高さ位置を変化させてもよい。
【0228】
また、ステージ２３の各高さ位置同士の間隔は、測定範囲設定部８ｉが高さ範囲を設定する場合には、第１表面形状測定部８ｊがサンプルＳＰの表面形状を測定する場合に比して広くなるように設定することができる。すなわち、図７に示されるように、高さ範囲が設定されるとき（測定範囲設定部８ｉが高さ範囲を設定するとき）には、表面形状が測定されるとき（測定部８０がサンプルＳＰの表面形状を測定するとき）に比して、Ｚピッチ（第３ピッチ）をより粗く設定することが許容される。高さ範囲の設定に際して用いられるＺピッチである第３ピッチは、第１ピッチと同様に粗めに設定することができる。
【0229】
例えば図６Ｅにおいて、白抜きのサークル状のプロットは高さ範囲の設定時に用いられる高さ位置を指し、クロス状のプロットは、前述のように表面形状の測定時に用いられる高さ位置を指す。図６Ｅに示されるように、本実施形態に係る第３ピッチは、前述した第１ピッチと同様に、表面形状が測定されるときに用いられるＺピッチ（第４ピッチ）に比して粗く（広く）設定することができる。
【0230】
測定範囲設定部８ｉによって設定された高さ範囲と、その高さ範囲を分割することで得られた各高さ位置は、第１表面形状測定部８ｊまたは第２表面形状測定部８ｋに入力される。
【0231】
－測定部８０－
図５に示されるように、測定部８０は、第１表面形状測定部８ｊと、第２表面形状測定部８ｋと、第１膜厚測定部８ｌと、第２膜厚測定部８ｍと、を有する。
図５に示されるように、測定部８０は、第１表面形状測定部８ｊと、第２表面形状測定部８ｋと、第１膜厚測定部８ｌと、第２膜厚測定部８ｍと、を有する。
【0232】
測定部８０は、第１表面形状測定部８ｊまたは第２表面形状測定部８ｋを用いることで、受光部６６によって生成された受光信号に基づいてサンプルＳＰの表面形状を測定するのに加えて、第１膜厚測定部８ｌまたは第２膜厚測定部８ｍを用いることで、分光器１２によって生成された受光信号に基づいてサンプルＳＰの膜厚を測定することができるように構成される。
【0233】
後述のように、第１表面形状測定部８ｊは白色干渉法を用いて表面形状を測定し、第２表面形状測定部８ｋはレーザ共焦点法を用いて表面形状を測定する。また、第１膜厚測定部８ｌは分光干渉法を用いて膜厚を測定し、第２膜厚測定部８ｍはレーザ共焦点法を用いて膜厚を測定する。このように、本実施形態に係る測定部８０は、２種類の測定対象を、それぞれ２通りの測定原理を用いて測定することができる。
【0234】
また、前述のように、分光ユニットＯｓのアダプタ９１に装着されるべき対物レンズ５４を交換することで、サンプルＳＰの拡大倍率を変更することができる。そのため、測定部８０は、サンプルＳＰの各拡大倍率においてサンプルＳＰの膜厚を測定することができる。換言すれば、この測定部８０は、拡大倍率を変更しながら膜厚を測定することができるように構成される。
【0235】
－第１表面形状測定部８ｊ－
図６Ａは、１つの画素において、サンプルＳＰのＺ方向の相対位置と、白色光の干渉光に起因する受光強度と、の関係を例示する図である。第１表面形状測定部８ｊは、前述のように白色干渉法を使用してサンプルＳＰの表面形状を測定する。具体的に、第１表面形状測定部８ｊは、合焦位置Ｚｐを含んだ高さ範囲内に定められる複数の高さ位置において撮像部５８により撮像された複数の干渉画像に基づいて、サンプルＳＰの表面形状を測定する。
図６Ａは、１つの画素において、サンプルＳＰのＺ方向の相対位置と、白色光の干渉光に起因する受光強度と、の関係を例示する図である。第１表面形状測定部８ｊは、前述のように白色干渉法を使用してサンプルＳＰの表面形状を測定する。具体的に、第１表面形状測定部８ｊは、合焦位置Ｚｐを含んだ高さ範囲内に定められる複数の高さ位置において撮像部５８により撮像された複数の干渉画像に基づいて、サンプルＳＰの表面形状を測定する。
【0236】
なお、サンプルＳＰの表面形状は、サンプルＳＰの三次元形状、テクスチャと呼ぶこともできる。このことは、第２表面形状測定部８ｋによって測定される表面形状についても同様である。
【0237】
詳しくは、第１表面形状測定部８ｊは、白色干渉の原理を使用することで、サンプルＳＰの表面形状を把握できる干渉画像（第１画像データ）を取得する。この第１画像データは、撮像部５８による撮像範囲毎に取得される。この撮像範囲は、対物レンズ５４の拡大倍率等に応じて定まる。
【0238】
まず、ステージ２３ひいてはサンプルＳＰの高さ位置が固定された状態で、撮像範囲内に白色光が照射される。この白色光は、干渉対物レンズＯｃ内に設けた分岐光学系５５において、参照ミラー５５ｂによって反射される参照光と、サンプルＳＰによって反射される測定光とに分岐する。このうち、測定光の反射光は、参照光とともに撮像部５８に照射され、その撮像素子５８ａによって受光される。撮像素子５８ａによって受光された測定光および参照光は、互いに重なり合って干渉画像を生成する。このとき、干渉画像に対応した受光強度が取得されるが、その受光強度は、干渉画像の画素毎に取得される。
【0239】
次に、Ｚ方向駆動部７１によって、干渉対物レンズＯｃの高さ位置を所定の第４ピッチで変化させる。これにより、干渉対物レンズＯｃの高さ位置が前回とは異なる状態になり、その高さ位置を異ならせた状態でサンプルＳＰに白色光が照射される。これにより、高さ位置を異ならせた干渉画像が生成される。この干渉画像の画素毎に、受光強度がモニターされる。これが、高さ位置毎に繰り返される。
【0240】
このとき、Ｚ方向における干渉対物レンズＯｃの移動範囲は、測定範囲設定部８ｉが設定した高さ範囲に等しく、高さ位置の変化幅である第４ピッチは、その高さ範囲を等間隔で分割したものに等しい（図７を参照）。図６Ｄ、図６Ｅを用いて説明したように、第４ピッチは、オートフォーカス時に用いられるＺピッチである第１ピッチと、高さ範囲の設定時に用いられるＺピッチである第３ピッチと、の双方に比して細かく（狭く）設定することができる。
【0241】
干渉画像の画素数は、撮像素子５８ａの受光面に配置された画素の数によって定まるが、両者の数を一致させる必要はない。デジタルズームの有無、データ容量の削減等の観点から、撮像素子５８ａを構成する画素のうちの一部を干渉画像の生成に使用してもよい。
【0242】
また、撮像部５８の画角よりも広範囲内にわたって撮像された干渉画像が望まれる場合、駆動制御部８ｂがＸＹ方向駆動部７３を制御することで、ステージ２３をＸ方向またはＹ方向に移動させる。そして、前回とは異なる撮像範囲に白色光を照射して、その撮像範囲に対応した干渉画像を撮像する。この処理を各高さ位置で実行し、得られた干渉画像を継ぎ合わせることで一体的な第１画像データが生成される。
【0243】
ここで、図６Ａに例示されるように、サンプルＳＰの表面が干渉対物レンズＯｃの焦点と一致するとき（合焦位置Ｚｐにあるとき）、その表面によって反射された測定光と参照ミラー５５ｂによって反射された参照光は、互いに強め合った状態で撮像素子５８ａに入射する。その結果、撮像素子５８ａにおける受光強度が最大になる。
【0244】
一方、サンプルＳＰの表面が干渉対物レンズＯｃの焦点と一致しないとき（非合焦位置にあるとき）、撮像素子５８ａにおける受光強度は、増減を繰り返しつつも、合焦位置Ｚｐから離れるにしたがって徐々に減衰する。その結果、干渉縞を示す明暗模様は、干渉画像から消失することになる。換言すれば、合焦位置Ｚｐ付近においてのみ、干渉画像中に干渉縞が現れるようになっている。
【0245】
このように、サンプルＳＰの表面が干渉対物レンズＯｃの焦点と一致するときに、撮像素子５８ａの受光強度分布がピークを迎える（図６Ａの強度Ｉｐを参照）。受光強度分布はまた、合焦位置から離れるに従って、フレア成分としての参照光に起因した値に収束する（図６Ａの強度Ｉｂを参照）。第２画像データとしての干渉画像に基づいて、Ｚ方向に対する受光強度の変化を示す曲線（Ｚ－Ｉカーブ）を画素毎に得ることができる。
【0246】
受光強度のピーク位置（Ｚ方向の位置、Ｚ座標）を示すデータを画素毎に取得することで、サンプルＳＰの表面と、干渉対物レンズＯｃと、の間の距離を示す情報（高さ情報）を画素毎に取得することができるようになる。この高さ情報に基づいて、サンプルＳＰの表面形状を測定することができる。
【0247】
ここで、「焦点が一致しないとき」というのは、隣接画素間の輝度差がなくなること（輝度比が１に近づくこと）であり、逆に、「焦点が一致しているとき」というのは、隣接画素間の輝度差（輝度比）が、焦点が合っていないときに比べ大きい状態と換言することもできる。
【0248】
また、実際の測定の際は、Ｚ方向に干渉対物レンズＯｃを動かして、その際に現れる干渉縞のコントラスト変化、位相変化等を解析することで、サンプルＳＰ表面の凹凸等を示すデータを取得することができる。
【0249】
第１表面形状測定部８ｊによって生成された第１画像データは、表示制御部８ｃによって、表示部４１に表示される。ユーザは、表示された第１画像データを目視することで、サンプルＳＰの表面形状を把握することができる。
【0250】
－第２表面形状測定部８ｋ－
図６Ｂは、１つの画素において、サンプルＳＰのＺ方向の相対位置と、レーザ光の反射光に起因する受光強度と、の関係を例示する図である。第２表面形状測定部８ｋは、前述のようにレーザ共焦点法を使用してサンプルＳＰの表面形状を測定する。具体的に、第２表面形状測定部８ｋは、走査制御部８ａがレーザ光走査部６３を制御することによって走査されたレーザ光の反射光の受光強度に基づいて、サンプルＳＰの表面形状を測定する。
図６Ｂは、１つの画素において、サンプルＳＰのＺ方向の相対位置と、レーザ光の反射光に起因する受光強度と、の関係を例示する図である。第２表面形状測定部８ｋは、前述のようにレーザ共焦点法を使用してサンプルＳＰの表面形状を測定する。具体的に、第２表面形状測定部８ｋは、走査制御部８ａがレーザ光走査部６３を制御することによって走査されたレーザ光の反射光の受光強度に基づいて、サンプルＳＰの表面形状を測定する。
【0251】
詳しくは、第２表面形状測定部８ｋは、レーザ共焦点の原理を使用することで、サンプルＳＰの表面形状を把握できるレーザ画像（第２画像データ）を取得する。この第２画像データは、サンプルＳＰ上の単位領域毎に取得される。この単位領域は、対物レンズ５４の倍率等に応じて定まる。単位領域毎の第２画像データは、後述の画素データに基づいて生成される。
【0252】
まず、ステージ２３ひいてはサンプルＳＰの高さ位置が固定された状態で、レーザ光走査部６３により単位領域内でレーザ光がＸ方向に走査される。Ｘ方向の走査が終了すると、レーザ光の照射位置が、レーザ光走査部６３によりＹ方向に一定の間隔だけ移動する。その移動後に、レーザ光がＸ方向に走査される。単位領域でのレーザ光のＸ方向の走査及びＹ方向の移動が繰り返されることにより、単位領域のＸ方向及びＹ方向の走査が終了する。
【0253】
その際、２次元的に走査されたレーザ光の反射光は、ピンホール６５ａ等からなる共焦点光学系（レーザ光学系６）を介して受光部６６に照射され、その受光素子６６ａによって受光される。
【0254】
次に、Ｚ方向駆動部７１によって、対物レンズ５４の高さ位置を変化させる。これにより、対物レンズ５４の高さ位置が前回とは異なる状態になり、その高さ位置を異ならせた状態で、単位領域のＸ方向及びＹ方向の走査が行われる。その後、対物レンズ５４の高さ位置を所定ピッチ（第４ピッチ）で移動させて、単位領域のＸ方向及びＹ方向の走査が行われる。これが、単位領域毎に繰り返される。既に説明したように、第４ピッチは、オートフォーカス時に用いられるＺピッチ（第１ピッチ）と、高さ範囲の設定時に用いられるＺピッチ（第３ピッチ）と、よりも細かく（狭く）設定することができる（図６Ｄ～図６Ｅを参照）。
【0255】
第２画像データのＸ方向の画素数はレーザ光走査部６３によるレーザ光のＸ方向の走査速度と、サンプリング周期と、によって定まる。１回のＸ方向の走査（１本の走査線）におけるサンプリング数がＸ方向の画素数となる。また、Ｙ方向の画素数は、Ｘ方向の走査の終了毎の、レーザ光走査部６３によるレーザ光のＹ方向の変移量により定まる。Ｙ方向における走査線の数が、Ｙ方向の画素数となる。
【0256】
単位領域のＸ方向及びＹ方向の走査が終了すると、駆動制御部８ｂがＸＹ方向駆動部７３を制御することで、ステージ２３をＸ方向またはＹ方向に移動させる。そして、前回とは異なる別の単位領域において、同様にＸ方向及びＹ方向の走査を行う。これを繰り返して複数の単位領域についてＸ方向及びＹ方向の走査を行う。得られた各単位領域の第２画像データを連結することで、一体的な第２画像データにすることができる。
【0257】
ここで、図６Ｂを参照して説明したように、サンプルＳＰの表面が対物レンズ５４の焦点と一致するとき（合焦位置Ｚｐにあるとき）、その表面によって反射された反射光は、ピンホール６５ａ付近で収束した状態で受光素子６６ａに入射する。その結果、受光素子６６ａにおける受光強度が最大になる。
【0258】
一方、サンプルＳＰの表面が対物レンズ５４の焦点と一致しないとき（非合焦位置にあるとき）、その表面によって反射された反射光は、その大部分がピンホール６５ａによって遮蔽された状態で受光素子６６ａに入射する。その結果、受光素子６６ａにおける受光強度は、合焦位置Ｚｐに比して大幅に小さくなる。
【0259】
このように、サンプルＳＰの表面が対物レンズ５４の焦点と一致するときに、受光素子６６ａの受光強度分布に急峻なピークが表れる（図６Ｂの強度Ｉｐを参照）。各単位領域での第１画像データに基づいて、Ｚ方向に対する受光強度の変化を示す曲線（Ｚ－Ｉカーブ）を画素毎に得ることができる。
【0260】
受光強度のピーク位置（Ｚ方向の位置、Ｚ座標）を示すデータを画素毎に取得することで、サンプルＳＰの表面と、対物レンズ５４と、の間の距離を示す情報（高さ情報）を画素毎に取得することができるようになる。各画素の配置に従って高さ情報を並べることで、サンプルＳＰの表面形状を把握可能な第２画像データが生成される。
【0261】
第２表面形状測定部８ｋによって生成された第２画像データは、表示制御部８ｃによって、表示部４１に表示される。ユーザは、表示された第２画像データを目視することで、サンプルＳＰの表面形状を把握することができる。
【0262】
－第１膜厚測定部８ｌ－
第１膜厚測定部８ｌは、前述の分光器１２によって生成された受光信号に基づいて、分光干渉法を用いてサンプルＳＰの膜厚を測定する。
第１膜厚測定部８ｌは、前述の分光器１２によって生成された受光信号に基づいて、分光干渉法を用いてサンプルＳＰの膜厚を測定する。
【0263】
本実施形態に係る分光器１２は、白色光の反射光に含まれる波長毎の受光強度に対応した受光信号を生成する。しかしながら、その受光強度だけでは、サンプルＳＰの反射率を把握することはできない。サンプルＳＰの反射率を把握できなくては、分光干渉法による膜厚測定に支障を来す。
【0264】
そこで、第１膜厚測定部８ｌは、サンプルＳＰによる反射光に対応した受光信号を分光器１２から受ける前に、または、当該受光信号を分光器１２から受け取った後に、既知の反射率を有する指標に対して白色光を照射させ、その反射光に対応した受光信号を分光器１２から受ける。
【0265】
第１膜厚測定部８ｌは、指標の反射率に対応した受光強度と、サンプルＳＰからの反射光の受光強度と、に基づいて、サンプルＳＰの反射率を演算し、その演算結果に基づいて、サンプルＳＰの膜厚を測定する。
【0266】
詳しくは、第１膜厚測定部８ｌは、既知の反射率を有する指標として、その反射率が実質的に１００％であるリファレンスミラーと、その反射率が実質的に０％であるダークリファレンスを使用する。
【0267】
さらに詳しくは、第１膜厚測定部８ｌは、サンプルＳＰおよび指標に対して白色光を照射するまえに、前述のように構成されたオートフォーカスを実行する。指標としてリファレンスミラーとダークリファレンスを用いる場合、オートフォーカスは、少なくとも３回実行されることになる
第１膜厚測定部８ｌによって測定された膜厚は、表示制御部８ｃが表示部４１を制御することで、該表示部４１上に表示することができる。
第１膜厚測定部８ｌによって測定された膜厚は、表示制御部８ｃが表示部４１を制御することで、該表示部４１上に表示することができる。
【0268】
－第２膜厚測定部８ｍ－
第２膜厚測定部８ｍは、受光部６６によって生成された受光信号に基づいて、レーザ共焦点法を用いてサンプルＳＰの膜厚を測定する。
第２膜厚測定部８ｍは、受光部６６によって生成された受光信号に基づいて、レーザ共焦点法を用いてサンプルＳＰの膜厚を測定する。
【0269】
具体的に、第２膜厚測定部８ｍは、サンプルＳＰに対してレーザ光を照射するとともに、ピンホール６５ａ等からなる共焦点光学系を介して反射光を受光する。レーザ光の照射は、所定のＺピッチでＺ位置を変化させつつ実行され、各Ｚ位置でレーザ画像が生成される。
【0270】
例えば、基板上に膜を形成してなるサンプルＳＰを用いた場合、各レーザ画像の各画素には、図１０Ｂを用いて説明したように、膜の表面からの反射光に起因したピークと、基板の表面からの反射光に起因したピークと、が現れる。第２膜厚測定部８ｍは、各ピークのＺ位置に基づいて、ピーク間距離（Ｚ方向の相対距離）を算出する。
【0271】
一方、記憶装置８２には、ピーク間の距離と、膜厚の大きさと、の対応関係が予め記憶されている。第２膜厚測定部８ｍは、記憶装置８２に記憶された対応関係を照合し、算出されたピーク間距離に対応する膜厚を算出する。
【0272】
第２膜厚測定部８ｍによって測定された膜厚は、表示制御部８ｃが表示部４１を制御することで、該表示部４１上に表示することができる。
【0273】
＜測定手順の具体例＞
－基本フロー－
図１２は、レーザ共焦点顕微鏡１によるサンプルＳＰの測定手順を例示するフローチャートである。まず、レーザ共焦点顕微鏡１が起動されると、ステップＳ１では、レーザ共焦点顕微鏡１の動作内容（動作モード）と、その動作時に用いる使用原理と、が選択される。
－基本フロー－
図１２は、レーザ共焦点顕微鏡１によるサンプルＳＰの測定手順を例示するフローチャートである。まず、レーザ共焦点顕微鏡１が起動されると、ステップＳ１では、レーザ共焦点顕微鏡１の動作内容（動作モード）と、その動作時に用いる使用原理と、が選択される。
【0274】
ここで、動作モードとは、前述したように、サンプルＳＰの表面形状を測定する第１モードと、サンプルＳＰの膜厚を測定する第２モードと、サンプルＳＰを観察するための第３モードと、に相当する。ユーザは、表示部４１上に表示された画面に対してクリック操作等を行うことで、レーザ共焦点顕微鏡１に実行させるべき動作内容を選択する。モード切替部８ｄは、ユーザによって選択された動作内容に対応する画面を表示部４１上に表示させる。
【0275】
後述のように、表示部４１上に表示される画面は、レーザ画像、干渉画像、表面形状の測定結果等、ユーザに各種情報を伝える一方、キーボード４２、マウス４３等の操作入力を受け付けるユーザインターフェース（User Interface：ＵＩ）として機能する。このＵＩについては後述する。
【0276】
また、ステップＳ１で選択可能な使用原理には、少なくとも、白色干渉法と、レーザ共焦点法と、が含まれる。この他、フォーカス合成等、他の原理をユーザに選択させてもよい。
【0277】
続くステップＳ２では、前述した画面をユーザが操作することで、各動作モードに用いられるパラメータの設定モードが選択される。本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、パラメータの設定モードとして、ユニット制御系８が自動的にパラメータを設定する自動設定モード（「簡単設定」ともいう）と、ユーザ自らがキーボード４２等を操作してパラメータを設定する手動設定モード（「基本設定」ともいう）と、を実行することができる。モード切替部８ｄは、ユーザによって選択された設定モードに対応する情報を表示部４１上に表示させる。
【0278】
続くステップＳ３では、電動レボルバ７４に装着された複数の対物レンズ５４のうち、拡大倍率が最も低い対物レンズ５４に切り替えられる。この切替は、設定モードが選択され次第、駆動制御部８ｂが自動的に行ってもよいし、ユーザが手動で行ってもよい。
【0279】
続くステップＳ４では、ステージ２３にサンプルＳＰが載置される。
【0280】
なお、前記ステップＳ１～Ｓ４の順番は、前述したフローには限定されない。例えば、ステップＳ１とステップＳ２の順番を入れ替えてもよいし、ステップＳ１よりも早いタイミングでステップＳ４を実行してもよい。図１１に示すフローは、例示に過ぎない。
【0281】
続くステップＳ５では、サンプルＳＰ上の測定箇所が探索され、その測定箇所にフォーカスを大まかに合わせる（大まかなピント合わせ）。このピント合わせは、ユーザが手動で行ってもよいし、焦点調整部８ｆ等が自動で行ってもよい。
【0282】
続くステップＳ６では、測定に用いる対物レンズ５４が選択される。この選択は、表示部４１上に表示されるＵＩを介してユーザが手動で行うようになっている。
【0283】
ここで、ステップＳ１において白色干渉法が選択されている場合は、対物レンズ５４として、対物レンズ５４と分岐光学系５５とを組み合わせてなる干渉対物レンズＯｃが選択される。しかしながら、本開示は、そうした構成には限定されない。前述のように、白色干渉法を用いて測定を行う場合にあっても、その測定に先だって、レーザ共焦点法を用いたオートフォーカスが実行されるようになっている。そのため、白色干渉法が選択された場合にあっても、一時的に、分岐光学系５５を非具備とした通常の対物レンズ５４が選択されるように構成してもよい。
【0284】
一方、ステップＳ１においてレーザ共焦点法が選択されている場合、ステップＳ６において、対物レンズ５４として、分岐光学系５５を非具備とした通常の対物レンズ５４が選択される。
【0285】
ステップＳ６において対物レンズ５４が選択されると、駆動制御部８ｂが電動レボルバ７４を作動させ、サンプルＳＰ上の前記測定箇所に対し、選択された対物レンズ５４の先端面を対峙させる。
【0286】
続くステップＳ７では、ユニット制御系８が、使用原理として白色干渉法が選択されているか否かを判定する。白色干渉法が選択されていると判定された場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、制御プロセスはステップＳ８に進み、傾き調整部８ｈがサンプルＳＰの傾きを調整する。一方、レーザ共焦点法が選択されていると判定された場合（ステップＳ７：ＮＯ）、制御プロセスは、ステップＳ８をスキップしてステップＳ９に進む。なお、レーザ共焦点法が選択されている場合にも、傾き調整部８ｈによる傾きの調整を実行してもよい。
【0287】
続くステップＳ８では、モード切替部８ｄが、動作モードとして第３モード（観察モード）が選択されているか否かを判定し、第３モードが選択されていると判定した場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）は、ステップＳ９に進む。この場合、白色光源５１を照明に用いたカメラ画像が表示部４１上に表示され、制御プロセスは終了する。
【0288】
一方、ステップＳ８で第３モードが選択されていないと判定された場合（ステップＳ８：ＮＯ）、制御プロセスはステップＳ１０に進む。このステップＳ１０では、モード切替部８ｄが、動作モードとして第１モード（表面形状測定モード）が選択されているか否かを判定し、第１モードが選択されていると判定した場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）は、ステップＳ１１に進む。この場合、ステップＳ１およびステップＳ２での選択に基づいて、各種パラメータの設定、サンプルＳＰの表面形状の測定等が実行される。
【0289】
一方、ステップＳ１０で第１モードが選択されていないと判定された場合（ステップＳ１０：ＮＯ）、制御プロセスはステップＳ１２に進む。このステップＳ１２では、動作モードとして第２モード（膜厚を測定するためのモード）が選択されているものとして、サンプルの膜厚測定に係る処理が実行される。
【0290】
【0291】
具体的に、図１７は、各種パラメータの簡単設定時における表示画面を例示する図である。また、図１８は、白色干渉法による測定時の表示画面を例示する図であり、図１９は、各種パラメータの基本設定時における表示画面を例示する図であり、図２０は、膜厚測定時における表示画面を例示する図である。
【0292】
ここで、第１表示領域Ｒ１は、サンプルＳＰの表面（観察面）を一部拡大して表示するための領域であり、第２表示領域Ｒ２は、サンプルＳＰの表面全体を俯瞰的に捉えて表示するための領域である。
【0293】
また、第２表示領域Ｒ２中に表示される矩形状の枠Ｒｇは、第１表示領域Ｒ１として拡大表示された領域を示すための枠である。図１７等に示す例では、マーキングパターンＰｔのうちの一部（特に、矩形部分の角部）が、第１表示領域Ｒ１内に表示されている。
【0294】
ここで、ボタンＢ２は、画面上に表示される画像を取得する手段を選択するためのＵＩである。このボタンＢ２をクリック操作することで、撮像部５８によって撮像されるカメラ画像を第１および第２表示領域Ｒ１，Ｒ２に表示させたり（カメラ）、サンプルＳＰの表面上でレーザ光を走査することで生成されるレーザ画像を第１および第２表示領域Ｒ１，Ｒ２に表示させたり（レーザ）することができる。図例では、前者の「カメラ」が表示された状態にある。
【0295】
また、ボタンＢ２の周辺には、カメラ画像の生成に際し、白色光源５１から照射される白色光を用いるか、前述したリング照明５４ａから照射される光を用いるかをユーザに選択させるためのＵＩが表示されていたり、各光源の明るさを調整するためのＵＩが表示されていたりする。図例では、前者の白色光源５１が選択された状態にある（図中では「同軸」と表示）。
【0296】
レーザ共焦点顕微鏡１が起動されて、動作モードとして第２モードが選択されると、図１７に例示される画面が表示される。ここで、タブＴ１～Ｔ３は、レーザ共焦点顕微鏡１の動作モードを切り替えるためのＵＩである。
【0297】
例えば、タブＴ１をクリック操作すると第３モード（サンプルＳＰを観察するための動作モード）が選択され、タブＴ２をクリック操作すると第１モードが選択され、タブＴ３をクリック操作すると第２モード（サンプルＳＰの膜厚を測定するための動作モード）が選択される。図１６～図１８のいずれにおいても、第１モードが選択された状態にある。
【0298】
また、ボタンＢ３は、各種パラメータの設定モードを選択するためのＵＩである。図例では、ボタンＢ３をクリック操作することで、前述の自動設定モード（簡単設定）と、手動設定モード（基本設定）と、のうちの一方を選択することができる。なお、図１６では自動設定モードが選択された状態にあり、図１９では手動設定モードが選択された状態にある。
【0299】
また、ボタンＢ１は、測定に用いる使用原理を選択するためのＵＩである。図１７と図１９との比較から示されるように、ボタンＢ１は、自動設定モードが選択されたときと、手動設定モードが選択されたときと、の双方で表示される。このボタンＢ１をクリック操作することで、レーザ共焦点法と、白色干渉法と、のうちの一方を選択することができる。フォーカス合成等、他の原理を実行可能に構成した場合、ボタンＢ１の周辺には、他の原理を選択するためのボタンが追加で表示される。図例では、白色干渉法が選択された状態にある。
【0300】
また、ボタンＢ４は、複数の対物レンズ５４の中から、サンプルＳＰに対峙させる対物レンズ５４を選択するためのＵＩである。図例では、レーザ共焦点法に適した５つの対物レンズ５４と、白色干渉法に適した１つの干渉対物レンズＯｃと、が並んだ状態で表示されている。このうちのいずれか１つをクリック操作することで、対物レンズ５４が選択される。図１７～図１９では、干渉対物レンズＯｃが選択された状態にある。
【0301】
この他、自動設定モードが選択された場合は、視野の合わせ方をガイドするためのボタンＢ５と、傾き調整をガイドするためのボタンＢ６と、が画面上に表示され、手動設定モードが選択された場合は、各種パラメータを手動で調整するためのボタン群Ｂ８が画面上に表示される。
【0302】
【0303】
【0304】
図２０に示す画面の構成は、レーザ共焦点法を用いた膜厚測定と、分光干渉法を用いた膜厚測定と、のうちの一方を選択させる２つ１組のボタンＢ９を除いて、図１９に示す画面と同様である。例えば、２つ１組のボタンＢ９のうち「分光膜厚」と表示されたボタンが押下されると、分光干渉法を用いて膜厚を測定するように構成された第１のサブモードに設定され、「レーザ膜厚」と表示されたボタンが押下されると、レーザ共焦点法を用いて膜厚を測定するように構成された第２のサブモードに設定される。
【0305】
なお、図２０に示す画面には、図１７等と同様に、複数の対物レンズ５４の中から、サンプルＳＰに対峙させる対物レンズ５４を選択するためのボタンＢ４が表示される。しかしながら、本実施形態に係るユニット制御系８（特に、モード切替部８ｄ）は、レーザ共焦点顕微鏡１の動作モードとして第２モードが選択されている場合、電動レボルバ７４の回転を許容しない。
【0306】
より詳細には、本実施形態に係るモード切替部８ｄは、レーザ共焦点顕微鏡１の動作モードとして、第２モードを構成する２つのサブモードのうち、分光干渉法を利用する一方である第１のサブモードが選択されている場合、電動レボルバ７４の回転を許容しない。この場合、対物レンズ５４の切替が禁止されることになる。
【0307】
－各種処理の具体例－
以下、各種パラメータの設定に係る処理と、設定されたパラメータに基づいた測定に係る処理と、について順番に説明する。図１３は、白色干渉顕微鏡によるパラメータの設定手順を例示するフローチャートである。図１３に示すステップＳ２１～Ｓ２８は、図１２のステップＳ１１に示す処理の詳細を例示するものである。
以下、各種パラメータの設定に係る処理と、設定されたパラメータに基づいた測定に係る処理と、について順番に説明する。図１３は、白色干渉顕微鏡によるパラメータの設定手順を例示するフローチャートである。図１３に示すステップＳ２１～Ｓ２８は、図１２のステップＳ１１に示す処理の詳細を例示するものである。
【0308】
まず、図１３のステップＳ２１において、パラメータの設定モードとして、自動設定モードが選択されているか否かを判定する。この判定は、例えばモード切替部８ｄが行うようになっている。
【0309】
自動設定モードが選択されていると判定された場合（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、制御プロセスは、ステップＳ２１からステップＳ２２に進む。この場合、図１７等に例示した測定開始ボタンＢｓが押下され次第、ユニット制御系８は、各種パラメータの自動設定と、自動で設定されたパラメータに基づいた測定と、を続けて実行する。
【0310】
一方、自動設定モードが選択されていないと判定された場合（ステップＳ２１：ＮＯ）、制御プロセスは、ステップＳ２１からステップＳ２７へ進む。この場合、ステップＳ２７において、図１９に例示したボタン群Ｂ８がユーザによって操作され、各種パラメータが手動で設定される。それに続いて、ステップＳ２８において測定開始ボタンＢｓが押下されると、ステップＳ２６において白色干渉法またはレーザ共焦点法を用いた表面形状の測定が実行されてリターンするようになっている。
【0311】
ステップＳ２２に戻ると、同ステップにおいて測定開始ボタンＢｓが押下されると、制御プロセスはステップＳ２２からステップＳ２３へ進む。ステップＳ２３においては、表面形状の測定に用いられる原理にかかわらず、レーザ共焦点法を用いたオートフォーカス（自動的なフォーカス合わせ）が実行される。
【0312】
【0313】
まず、図１４のステップＳ３１において、受光素子６６ａのゲインが一時的に増大される。これにより、サンプルＳＰに対してレーザ光を照射したときに、合焦位置Ｚｐに対応する反射光をより確実に捉えることが可能となる。レーザ共焦点法を用いたオートフォーカスの場合、合焦位置Ｚｐから外れた状態であっても、受光素子６６ａのゲインを大幅に高めることが許容される。
【0314】
続くステップＳ３２において、駆動制御部８ｂがＺ方向駆動部７１を制御することで、対物レンズ５４に対するステージ２３の相対的な高さ位置（Ｚ位置）が、所定の第１ピッチで変化する。そして、ユニット制御系８がレーザ光源６１を制御することで、各Ｚ位置でサンプルＳＰにレーザ光を照射する。前述したように、この第１ピッチは、レーザ共焦点法による測定時に用いられるＺピッチ（第４ピッチ）に比して、粗めに設定される（図６Ｄを参照）。
【0315】
続くステップＳ３３において、走査制御部８ａがレーザ光走査部６３を制御することで、レーザ光をＸ方向に沿った数列分だけ直線状に走査する。すなわち、Ｘ方向については略全域にわたって走査される一方、Ｙ方向については数画素分だけ走査されることになる。そうして走査されたレーザ光の反射光は、ピンホール６５ａ等からなるレーザ光学系６（共焦点光学系）を介して受光素子６６ａに向かう。前述のように、対物レンズ５４の焦点がサンプルＳＰの表面と一致する場合は受光素子６６ａに到達する一方、一致しない場合はピンホール６５ａによって遮断されるようになっている。
【0316】
続くステップＳ３４においては、記憶装置８２が、Ｚ位置毎に受光強度を記憶する。
【0317】
続くステップＳ３５においては、合焦演算部８ｅが、複数のＺ位置の中から、受光強度が最大となるＺ位置（合焦位置Ｚｐ）を探索する。既に説明したように、合焦位置Ｚｐの探索は、各Ｚ位置と関連付けて記憶された受光強度を、放物線、ガウス関数等を用いてフィッティングすることで実行可能となる。
【0318】
続くステップＳ３６において、焦点調整部８ｆがＺ方向駆動部７１を制御することで、前記ステップＳ３５で探索された合焦位置Ｚｐを実現するように、ステージ２３または対物レンズ５４の高さ位置を調整する。これにより、対物レンズ５４のフォーカス合わせが完了する（オートフォーカスが完了する）。
【0319】
ところで、公知の構成の場合、レーザ共焦点法を用いたオートフォーカスは、通常の対物レンズ５４を用いて行うことが想定されている。しかしながら、前述のように、本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、通常の対物レンズ５４の代わりに、干渉対物レンズＯｃを選択した状態でオートフォーカスを行うこともできる。通常の対物レンズ５４を用いて得られる合焦位置Ｚｐと、干渉対物レンズＯｃを用いて得られる合焦位置Ｚｐとの間には、レンズ等の光学部品の光学特性（具体的には色収差）と、各光学部品を通過する光の波長とが相まって生じるズレが存在する。
【0320】
言い換えると、合焦位置Ｚｐのズレは、レーザ特性、走査領域のレイアウト、サンプルＳＰの凹凸等、測定の度に変化するものではなく、レンズの光学特性に依存するものに過ぎない。したがって、合焦位置Ｚｐのズレを予め測定し、記憶装置８２等に記憶させておくことができる。本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、干渉対物レンズＯｃを用いて合焦位置Ｚｐが測定された場合に、記憶装置８２の記憶内容に基づいて、合焦位置Ｚｐのズレを補正するように構成されている。
【0321】
具体的に、ステップＳ３６から続くステップＳ３７において、ユニット制御系８は、合焦演算部８ｅが合焦位置Ｚｐを演算したときに、干渉対物レンズＯｃが使用されたか否かを判定する。そして、干渉対物レンズＯｃが使用されたと判定された場合（ステップＳ３７：ＹＥＳ）、制御プロセスはステップＳ３８へ進む。この場合、記憶装置８２に記憶されたズレの分だけ、合焦位置Ｚｐが補正される。一方、干渉対物レンズＯｃが使用されていないと判定された場合（ステップＳ３７：ＮＯ）、制御プロセスは、ステップＳ３８をスキップしてリターンする。
【0322】
図１４に示すフローが終了すると、制御プロセスは、図１３のステップＳ２３からステップＳ２４へ進む。ステップＳ２４では、白色干渉法による形状測定の前準備として、白色光源５１の明るさを自動的に調整する。ステップＳ２４は、前述の明るさ調整部８ｇが白色干渉法を用いて実行する。レーザ共焦点法を用いて表面形状を測定する場合は、ステップＳ２４をスキップすることができる。なお、明るさ調整部８ｇによる調整は、白色光源５１自体の制御パラメータを調整することによって実行してもよいし、カメラとしての撮像部５８の露光時間を調整することによって実行してもよい。
【0323】
続くステップＳ２５では、白色干渉法を用いることで、表面形状の測定時に用いる高さ範囲を設定する。ステップＳ２５は、前述の測定範囲設定部ｉが白色干渉法またはレーザ共焦点法を用いて実行する。
【0324】
高さ範囲が設定されると、制御プロセスは、ステップＳ２５からステップＳ２６へ進む。図１５は、図１３のステップＳ２６で行われる具体的な処理を例示した図である。すなわち、図１５は、レーザ共焦点顕微鏡１による表面形状の測定手順を例示するフローチャートである。
【0325】
まず、図１５のステップＳ４１において、駆動制御部８ｂがＺ方向駆動部７１を制御することで、対物レンズ５４に対するステージ２３の相対的な高さ位置（Ｚ位置）を、測定範囲設定部８ｉが設定した高さ範囲内に移動させる。
【0326】
続くステップＳ４２において、ユニット制御系８が、表面形状を測定するための使用原理として白色干渉法が選択されているか否かを判定する。ここで、白色干渉法が選択されていると判定された場合（ステップＳ４２：ＹＥＳ）、制御プロセスは、ステップＳ４２からステップＳ４３へ進む。この場合、白色干渉法を用いた測定が実行される。
【0327】
一方、ステップＳ４２において白色干渉法が選択されておらず、例えばレーザ共焦点法が選択されていると判定された場合（ステップＳ４２：ＮＯ）、制御プロセスは、ステップＳ４２からステップＳ４８へ進む。この場合、図例ではレーザ共焦点法を用いた測定が実行される。
【0328】
ステップＳ４２からステップＳ４３に進んだ場合、第１表面形状測定部８ｊは、駆動制御部８ｂを介してＺ方向駆動部７１を作動させることで、前述の第４ピッチでＺ位置を変化させる。そして、第１表面形状測定部８ｊは、第４ピッチ毎に移動させた各Ｚ位置で、白色光源５１から白色光を照射させる。
【0329】
続くステップＳ４４においては、測定光の反射光と参照光とを干渉させてなる干渉光が撮像素子５８ａ上に照射され、画素毎の受光強度を示す信号が、第１表面形状測定部８ｊに入力される。
【0330】
続くステップＳ４５では、ステップＳ４４で入力された信号に基づいて、Ｚ位置毎に干渉画像が生成される。この場合、図１８に示すように、干渉画像中には、干渉縞Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が現れることになる。それに続くステップＳ４６では、Ｚ位置を異ならせた複数の干渉画像に基づいて、第１表面形状測定部８ｊがサンプルＳＰの表面形状を測定する。
【0331】
対して、ステップＳ４２からステップＳ４８に進んだ場合、第２表面形状測定部８ｋは、駆動制御部８ｂを介してＺ方向駆動部７１を作動させることで、第４ピッチでＺ位置を変化させる。そして、第２表面形状測定部８ｋは、第４ピッチ毎に移動させた各Ｚ位置で、レーザ光源６１からレーザ光を照射させる。
【0332】
続くステップＳ４９においては、前述のように単位領域毎にレ－ザ光を２次元走査し、そのレーザ光の反射光を、共焦点光学系をなすピンホール６５ａを介して受光する。これにより、レーザ光の反射光が受光素子６６ａ上に照射され、画素毎の受光強度を示す信号が、第２表面形状測定部８ｋに入力される。
【0333】
続くステップＳ５０では、ステップＳ４９で入力された信号に基づいて、Ｚ位置毎にレーザ画像が生成される。それに続くステップＳ５１では、Ｚ位置を異ならせた複数のレーザ画像に基づいて、第２表面形状測定部８ｋがサンプルＳＰの表面形状を測定する。
【0334】
最終的に、ステップＳ４６またはステップＳ５１から続くステップＳ４７において、表示制御部８ｃが表示部４１を制御することで、この表示部４１上に、第１表面形状測定部８ｊまたは第２表面形状測定部８ｋによる表面形状の測定結果が表示される。
【0335】
－膜厚測定の具体例－
以下、図１２のステップＳ１２の説明に戻り、同ステップで行われる処理について詳細に説明する。図１６は、図１２のステップＳ１２で行われる具体的な処理を例示した図であり、レーザ共焦点顕微鏡１によるサンプルＳＰの膜厚の測定手順を例示するフローチャートである。
以下、図１２のステップＳ１２の説明に戻り、同ステップで行われる処理について詳細に説明する。図１６は、図１２のステップＳ１２で行われる具体的な処理を例示した図であり、レーザ共焦点顕微鏡１によるサンプルＳＰの膜厚の測定手順を例示するフローチャートである。
【0336】
まず、図１６のステップＳ６１において、ユニット制御系８が、サンプルＳＰの膜厚を測定するための使用原理として分光干渉法が選択されているか否かを判定する。ここで、分光干渉法が選択されていると判定された場合（ステップＳ６１：ＹＥＳ）、制御プロセスは、ステップＳ６１からステップＳ６２へ進む。この場合、分光干渉法を用いた膜厚測定が実行される。
【0337】
一方、ステップＳ６１において分光干渉法が選択されておらず、例えばレーザ共焦点法が選択されていると判定された場合（ステップＳ６１：ＮＯ）、制御プロセスは、ステップＳ６１からステップＳ７２へ進む。この場合、図例ではレーザ共焦点法を用いた膜厚測定が実行される。
【0338】
ステップＳ６１からステップＳ６２に進んだ場合、図１Ｂに例示されるように、電動レボルバ７４に分光ユニットＯｓを装着する。この装着は、例えばユーザによって実行される。
【0339】
続くステップＳ６３では、ステージ２３上に載置されているサンプルＳＰを前述のリファレンスミラー（反射率が実質的に１００％である指標）に置換して、そのリファレンスミラーの表面にフォーカスを合わせるようにオートフォーカスを実行する。オートフォーカスの詳細は、既に説明した通りである。
【0340】
続くステップＳ６４では、リファレンスミラーに白色光を照射し、その反射光量（反射光の受光強度）を分光器１２で測定する。分光器１２は、波長毎に受光強度を測定する。
【0341】
続くステップＳ６５では、ステージ２３上に載置されているリファレンスミラーを前述のダークリファレンス（反射率が実質的に０％である指標）に置換して、そのダークリファレンスの表面にフォーカスを合わせるようにオートフォーカスを実行する。
【0342】
続くステップＳ６６では、ダークリファレンスに白色光を照射し、その反射光量（反射光の受光強度）を分光器１２で測定する。分光器１２は、波長毎に受光強度を測定する。
【0343】
続くステップＳ６７では、ステージ２３上に載置されているダークリファレンスをサンプルＳＰに置換して、そのサンプルＳＰの表面にフォーカスを合わせるようにオートフォーカスを実行する。
【0344】
続くステップＳ６８では、サンプルＳＰに白色光を照射し、その反射光量（反射光の受光強度）を分光器１２で測定する。分光器１２は、波長毎に受光強度を測定する。
【0345】
続くステップＳ６９では、第１膜厚測定部８ｌは、ステップＳ６４で測定された反射光量と、ステップＳ６６で測定された反射光量と、ステップＳ６８で測定された反射光量と、に基づいて、サンプルＳＰの反射率を算出する。
【0346】
続くステップＳ７０では、第１膜厚測定部８ｌは、ステップＳ６８で算出されたサンプルＳＰの反射率と、該反射率の波長に対する変化と、に基づいて、サンプルＳＰの膜厚を算出する。この算出に先だって、膜の材質、屈折率等が事前に入力されるようになっており、第１膜厚測定部８ｌは、事前に入力された情報に基づいて膜厚の算出を実行するようになっている。
【0347】
一方、ステップＳ６１からステップＳ７２に進んだ場合、第２膜厚測定部８ｍは、焦点調整部８ｆ等を介してオートフォーカスを実行し、サンプルＳＰにフォーカスを合わせる。
【0348】
続くステップＳ７３では、第２膜厚測定部８ｍは、駆動制御部８ｂがＺ方向駆動部７１を制御することで、前述のＺ位置を所定ピッチで変化させ、各Ｚ位置でレーザ光をサンプルＳＰに照射する。
【0349】
続くステップＳ７４では、ステップＳ７２で照射されたレーザ光の反射光を、ピンホール６５ａ等からなるピンホール６５ａを介して受光する。これにより、レーザ光の反射光が受光素子６６ａ上に照射され、その反射光に対応した受光強度を示す信号が、第２膜厚測定部８ｍに入力される。
【0350】
続くステップＳ７５は、ステップＳ７４で入力された信号に基づいて、Ｚ位置毎に受光強度が記憶される。それに続くステップＳ７６では、第２膜厚測定部８ｍは、受光強度が極大値となる２つのピーク位置を探索する。
【0351】
続くステップＳ７７では、第２膜厚測定部８ｍは、ステップＳ７６で探索された２つのピーク位置の差分（ピーク間距離）を算出し、そのピーク間距離と、記憶装置８２に記憶された対応関係と、に基づいてサンプルＳＰの膜厚を算出する。
【0352】
最終的に、ステップＳ７０またはステップＳ７７から続くステップＳ７１において、表示制御部８ｃが表示部４１を制御することで、この表示部４１上に、第１膜厚測定部８ｌまたは第２膜厚測定部８ｍによる膜厚の測定結果が表示される。
【0353】
＜レーザ共焦点顕微鏡１における膜厚測定について＞
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、図３Ｃに例示したように、白色光の反射光を分岐させることで、分光干渉の原理（分光干渉法）に基づいて膜厚を測定することができる。カメラとして機能する撮像部５８用の白色光および撮像部５８を流用することで、分光干渉法の実現に要する部品点数、特に分光干渉法による膜厚測定を行うための専用部品の導入を最小限に抑えつつ、ステージ２３に載置可能なサンプルＳＰ一般に対して膜厚測定を実行することができる。
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、図３Ｃに例示したように、白色光の反射光を分岐させることで、分光干渉の原理（分光干渉法）に基づいて膜厚を測定することができる。カメラとして機能する撮像部５８用の白色光および撮像部５８を流用することで、分光干渉法の実現に要する部品点数、特に分光干渉法による膜厚測定を行うための専用部品の導入を最小限に抑えつつ、ステージ２３に載置可能なサンプルＳＰ一般に対して膜厚測定を実行することができる。
【0354】
また、従来知られた膜厚測定装置のような専用機の場合、対物レンズのフォーカスが多少ずれた状態にあっても、膜厚を測定することが可能であった。さらに、そうした専用機の場合、被写界深度の深い低倍率の対物レンズを使うことになるため、視野が広く、ユーザによる観察位置の調整も比較的容易であった。
【0355】
ところが、本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１のような汎用機の場合、前述の専用機よりも高い拡大倍率に変更された状態で、膜厚を測定することが想定される。そのため、前述の専用機よりも被写界深度が浅くなる。さらに、視野も狭くなるため、ユーザが観察位置を把握するのも困難になる。
【0356】
対して、本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、高倍率での測定を実行可能に構成されているものの、図１４を用いて説明したように、合焦演算部８ｅおよび焦点調整部８ｆがフォーカス合わせを自動的に行うようになっている。そのため、高倍率での膜厚測定時にあっても、良好な測定を実現することができる。
【0357】
また、図３Ｃに示されるように、本実施形態に係る光分岐部９１ａは、合流部としての第１ハーフミラー５３に比して対物レンズ５４に近接した状態で配置されることになる。このように、光分岐部９１ａを対物レンズ５４付近に配置することで、その光分岐部９１ａを着脱自在とする構成を容易に実現することができる。その結果、膜厚測定と、レーザ共焦点法による測定と、の使い分けを容易に行うことができるようになる。
【0358】
また、図１Ｂ、図３Ｃ、図１１等を用いて説明したように、着脱機構としての電動レボルバ７４からレーザ共焦点法に適した対物レンズ５４を取り外した上で、その着脱機構に対し、光分岐部９１ａが内蔵されたアダプタ９１を装着することができる。これにより、対物レンズ５４と同様の使用感で、光分岐部９１ａとともにアダプタ９１を着脱することができる。このことは、レーザ共焦点法と分光干渉法という、２つの異質な測定原理を容易に切替可能であることを意味し、ユーザビリティの向上に資する。
【0359】
また、図３Ｃ等に示されるように、複数の対物レンズ５４のうち、特に分光干渉法による膜厚測定に用いられる対物レンズ５４については、アダプタ９１を介して電動レボルバ７４に装着することができる。このことは、アダプタ９１に係るユーザビリティの向上に有効である。
【0360】
また一般に、アダプタ９１は、光分岐部９１ａを内蔵する分だけ、対物レンズ５４よりも大径となる可能性がある。その場合、電動レボルバ７４を介してアダプタ９１を回転させたときに、アダプタ９１とステージ２３とが衝突する虞がある。
【0361】
一方、前述の第２モードが選択された場合、すなわち、サンプルＳＰに分光ユニットＯｓを対峙させた場合には、その姿勢のまま、電動レボルバ７４ひいてはアダプタ９１の回転を許容しない。このように構成することで、アダプタ９１とステージ２３との衝突を未然に防ぐことができる。
【0362】
また、本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、図１３に例示したように、合焦位置Ｚｐを探索する際に、白色干渉法ではなく、レーザ光による共焦点の原理（レーザ共焦点法）を利用する。これにより、ある程度フォーカスさせた状態から合焦位置Ｚｐを探索せずとも、撮像素子５８ａのゲインを十分に高めておくことができるようになる。その結果、手間および時間等の観点で有利になり、ひいては、フォーカスを合わせる際のユーザビリティを向上させることが可能となる。
【0363】
【0364】
そこで、本実施形態に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、図１６に例示されたように、分光干渉法に基づいた第１膜厚測定部８ｌによる測定と、レーザ共焦点法に基づいた第２膜厚測定部８ｍによる測定と、を使い分けることができる。これにより、サンプルＳＰの厚みに応じて、都度、適切な測定を行うことができるようになる。
【0365】
《他の実施形態》
前記実施形態では、アダプタ９１と、対物レンズ５４とが別体で構成されていたが、本開示は、そうした構成には限定されない。アダプタ９１と対物レンズ５４を一体的に構成してもよい。同様に、アダプタ９１およびブラケット９２を一体的に構成したり、アダプタ９１、ブラケット９２および対物レンズ５４を一体的に構成したりしてもよい。
前記実施形態では、アダプタ９１と、対物レンズ５４とが別体で構成されていたが、本開示は、そうした構成には限定されない。アダプタ９１と対物レンズ５４を一体的に構成してもよい。同様に、アダプタ９１およびブラケット９２を一体的に構成したり、アダプタ９１、ブラケット９２および対物レンズ５４を一体的に構成したりしてもよい。
【0366】
また、図１２等、各種フローチャートの構成は、適宜、変更することができる。例えば、図１２のステップＳ１とステップＳ２の順番を入れ替えたり、ステップＳ２とステップＳ３の順番を入れ替えたりしてもよいし、図１３のステップＳ２４とステップＳ２５の順番を入れ替えてもよい。
【0367】
－高さ範囲の設定に係る変形例について－
また、前記実施形態では、測定範囲設定部８ｉは、白色干渉を用いて図７に示される高さ範囲を設定するように構成されていたが、本開示は、そうした構成には限定されない。測定範囲設定部８ｉは、白色干渉を用いる代わりに、または、白色干渉を用いるのに加えて、レーザ共焦点法を用いて高さ範囲を設定することもできる。
また、前記実施形態では、測定範囲設定部８ｉは、白色干渉を用いて図７に示される高さ範囲を設定するように構成されていたが、本開示は、そうした構成には限定されない。測定範囲設定部８ｉは、白色干渉を用いる代わりに、または、白色干渉を用いるのに加えて、レーザ共焦点法を用いて高さ範囲を設定することもできる。
【0368】
その場合、測定範囲設定部８ｉは、ステージ２３または対物レンズ５４の高さ位置を変化させた状態で受光部６６を介してレーザ画像を生成する。次いで、測定範囲設定部８ｉは、各高さ位置で生成されたレーザ画像中の複数の画素について、受光部６６において生成される受光信号に対応した画素データを画素単位で生成する。そして、測定範囲設定部８ｉは、複数の画素データの全ての値が所定の第２閾値を下回る範囲として高さ範囲を設定する。
【0369】
ここで、画素データは、受光部６６の出力信号（受光信号）をＡ／Ｄ変換することで得られるデジタル信号である。そのため、画素データの値は、受光素子６６ａのゲインが大きくなるほど大きく、受光素子６６ａのゲインが小さくなるほど小さい。また、画素データは、不図示のＡ／Ｄ変換器から出力される。
【0370】
また、第２閾値は、例えば、Ａ／Ｄ変換器の出力レンジの上限値（以下、「出力上限値」ともいう）とすることができる。画素データのピーク値が出力上限値よりも小さい場合、画素データが出力上限値で飽和しない。したがって、第２閾値としての出力上限値に基づいた判定を行うことで、画素データのピーク値を容易に検出することができる。
【0371】
この場合、ステージ２３の各高さ位置同士の間隔は、測定範囲設定部８ｉが高さ範囲を設定する場合には、第１表面形状測定部８ｊがサンプルＳＰの表面形状を測定する場合に比して広くなるように設定される。すなわち、図７に例示されるように、高さ範囲が設定されるときには、表面形状が測定されるときに比して、Ｚピッチ（第３ピッチ）をより粗く設定することが許容される。
【0372】
例えば図６Ｆにおいて、白抜きのサークル状のプロットは高さ範囲の設定時に用いられる高さ位置を指し、クロス状のプロットは、前述のように表面形状の測定時に用いられる高さ位置を指す。図６Ｆに示されるように、本実施形態に係る第３ピッチは、前述した第１ピッチと同様に、表面形状が測定されるときに用いられるＺピッチ（第４ピッチ）に比して粗く（広く）設定することができる。
【0373】
なお、この変形例に係る「第３ピッチ」については、その技術的な意義を明確にすべく、前記実施形態に係る「第３ピッチ」と同一の名称を付して説明したが、この名称は便宜上に設定されたものに過ぎない。すなわち、白色干渉法に係る「第３ピッチ」とレーザ共焦点法に係る「第３ピッチ」とは、同じ長さに設定する必要はなく、互いに相違させることができる。第４ピッチについても同様である。
【0374】
－分岐光学系５５に係る変形例について－
また、前記実施形態では、干渉対物レンズＯｃに分岐光学系５５が内蔵されている構成を例示したが、本開示は、そうした構成には限定されない。干渉対物レンズＯｃ内に配置する代わりに、観察ユニット２内に分岐光学系５５を配置してもよい。そのように配置した場合、分岐光学系５５は、観察ユニット２の各光学部品を結ぶ光路に対して挿抜可能な光学素子として構成することができる。
また、前記実施形態では、干渉対物レンズＯｃに分岐光学系５５が内蔵されている構成を例示したが、本開示は、そうした構成には限定されない。干渉対物レンズＯｃ内に配置する代わりに、観察ユニット２内に分岐光学系５５を配置してもよい。そのように配置した場合、分岐光学系５５は、観察ユニット２の各光学部品を結ぶ光路に対して挿抜可能な光学素子として構成することができる。
【0375】
前述のように挿抜可能な光学素子が用いられる場合、その光学素子は、白色干渉法による測定が実行される場合には光路上に挿入される一方、レーザ共焦点法による測定が実行される場合には光路から退避されることになる。また、この光学素子は、測定が実行されるタイミングに限らず、白色光源５１を単なる照明として用いる場合、レーザ光を用いた種々の処理を行う場合等に必要に応じて挿抜することもできる。
【符号の説明】
【0376】
１ レーザ共焦点顕微鏡
２３ ステージ
５ 白色光学系
５１ 白色光源
５３ 第１ハーフミラー（合流部）
５４ 対物レンズ
５５ 分岐光学系
５５ｂ 参照ミラー
５８ 撮像部（カメラ）
６ レーザ光学系（共焦点光学系）
６１ レーザ光源
６３ レーザ光走査部
６５ａ ピンホール
６６ 受光部
７ ユニット駆動系
７１ Ｚ方向駆動部（駆動部）
７４ 電動レボルバ（着脱機構、レボルバ）
８ ユニット制御系
８ｄ モード切替部
８ｅ 合焦演算部（演算部）
８ｆ 焦点調整部
８０ 測定部
８ｊ 第１表面形状測定部
８ｋ 第２表面形状測定部
８ｌ 第１膜厚測定部
８ｍ 第２膜厚測定部
９ ユニット本体
９１ アダプタ
９１ａ 光分岐部
１１ 光ケーブル
１２ 分光器
Ｃ 中心軸
Ｏｃ 干渉対物レンズ
Ｏｓ 分光ユニット
ＳＰ サンプル（測定対象物）
Ｚｐ 合焦位置
２３ ステージ
５ 白色光学系
５１ 白色光源
５３ 第１ハーフミラー（合流部）
５４ 対物レンズ
５５ 分岐光学系
５５ｂ 参照ミラー
５８ 撮像部（カメラ）
６ レーザ光学系（共焦点光学系）
６１ レーザ光源
６３ レーザ光走査部
６５ａ ピンホール
６６ 受光部
７ ユニット駆動系
７１ Ｚ方向駆動部（駆動部）
７４ 電動レボルバ（着脱機構、レボルバ）
８ ユニット制御系
８ｄ モード切替部
８ｅ 合焦演算部（演算部）
８ｆ 焦点調整部
８０ 測定部
８ｊ 第１表面形状測定部
８ｋ 第２表面形状測定部
８ｌ 第１膜厚測定部
８ｍ 第２膜厚測定部
９ ユニット本体
９１ アダプタ
９１ａ 光分岐部
１１ 光ケーブル
１２ 分光器
Ｃ 中心軸
Ｏｃ 干渉対物レンズ
Ｏｓ 分光ユニット
ＳＰ サンプル（測定対象物）
Ｚｐ 合焦位置
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】