JP2007248414A - 光学変位計 - Google Patents

Abstract

【課題】
物体表面形状の変位量を、その変位量に応じた測定感度に変更して測定する。
【解決手段】
共焦点走査光学系中に設置したレーザ光源からの光束を、内部の対物レンズで集光しその集光点を一次結像面とする。この一次結像面からの光束を倍率変換光学系に向かわせ、一次結像面と共役位置関係にある物体上に導く。測定のため前記対物レンズを振動体とて光軸方向に振動し、物体面で生じた反射光を共焦点走査光学系に戻してそのピンホール上に集光する。このピンホールの通過光を光検出器で検出し物体表面形状変位量とする。前記倍率変換光学系は倍率をその物体表面形状に応じて交換自在として変位量に応じた測定感度を得る。


【選択図】 図３

Description

本発明はレーザ光源からの光束で物体の表面を走査し、その表面形状高さ方向の変位量を検出し測定するようにした光学変位計に関するもので、特に測定感度を変更できるようにし精度と操作性を向上するようにしたものである。

光学系を用いて物体表面形状高さ方向の変位量を検出し測定する光学変位計は各種の分野で使用されている。このような変位計の１つに共焦点走査光学系を用いたものがある。この共焦点走査光学系を用いた変位計は物体を点光源によって点状に照明し、その反射光をピンホール上に集光させた後、このピンホールを通過する光を光検出器で検出し、それを物体表面形状の測定信号としている。

このような光学変位計の代表的なものとして特許文献１が知られている。これを図１を用いて説明する。光源としてのレーザ１からの光はビームスプリッタ２を経てコリメータレンズ３を通過し、対物レンズ４によって物体（被測定物）５の表面に集光する。集光した光は反射光となって対物レンズ４、コリメータレンズ３を経てビームスプリッタ２で反射し、絞り部６のピンホール７を通過して光検出器（受光部）８に入射する。ここで対物レンズ４を振動体として光軸９方向に図の矢印９ａのように所定振幅で振動させたとすれば、対物レンズ４と物体５間の距離が変化する。この距離がある任意の所定距離になったとき、対物レンズ４の集光点が物体５表面と一致する。この一致したときだけ前記のピンホール７を反射光が通過するようにしておけばホトダイオードなどによる光検出器８の受光量は最大となる。最大受光量が得られたときの対物レンズ４位置を光学系基本位置からの物体５表面までの距離とすれば、物体５を光軸と直行する方向に移動することで物体表面形状を二次元的に測定していくことが出来る。

対物レンズ４を振動体として光軸方向に振動させる代わりに、対物レンズ４は固定したままで物体５を振動体として光軸方向に振動させるようにしたものが特許文献２に示されている。この文献２による光学変位計は、対物レンズは固定したままで物体（試料）を設置したステージを振動体として光軸方向と一致するＺ方向に所定量振動し、対物レンズの集光点位置と物体間との相対位置関係を変化させるようにしている。そして各位置での物体からの反射光を光検出器で検出して物体表面形状高さ方向の変位量を測定するようにしている。

また特許文献３では前記文献１、２による対物レンズ、ステージは固定したままで、図１のコリメータレンズ３と対物レンズ４間に設置した発散レンズを補助光学手段とし、これを振動体として光軸方向に振動させるようにしている。
さらに特許文献４には上記文献１、２、３とは異なるタイプの光学系が示されている。これを説明するとまず光源からの光束をハーフミラーに向かわせて通過させ、ビームスプリッタで反射してもう１つのミラー（光路長掃引機構）に向かわせる。そしてその反射光を前記ビームスプリッタに戻して通過させ、対物レンズを経て物体上に集光する。物体上で反射した光束を前記対物レンズから、ビームスプリッタに向かわせ、そこで光源方向に反射した光束を前記ハーフミラーに向かわせて反射し、ピンホール上に集光するようにしている。そして前記光路中のミラー（光路長掃引機構）を振動体として振動することで光源から物体に至るまでの光路長と物体からピンホールに至るまでの光路長を変化するようにしている。
このように文献４によれば前記文献１、２とは異なって対物レンズと物体（ステージ）は固定したままで、あるいは文献３のような補助光学手段（発散レンズ）を設置することなく、光学系中のミラー（光路長掃引機構）を振動するだけで物体とピンホール間の光路長と、光源から物体までの光路長を変化させることができると説明されている。そしてこのようにすることで振動体を小型軽量のミラーとして固有振動数を高く出来ると特徴づけている。
特開平７−１１３６１７号公報 特開平９−６８４１３号公報 特開２００４−１０２２２８号公報 特開２００３−２４０５０９号公報

しかしながらこれら各文献に示されたものはいずれもピンホールを通過する光を光検出器で検出し、それを物体表面形状高さ方向の測定信号とするようにしている。そのため物体表面位置とピンホール上の対物レンズ集光点位置の関係が不正確であれば表面形状の測定信号は誤差となって現れる。
図２はこの測定誤差について説明するものである。図２Ａは物体５ａの断面を示していて表面形状に距離Ｌ１の変位がある例となっている。しかしこのＬ１の差によって変化するはずの受光量の変化を光検出器８が検出できない場合、つまり光検出器の受光分解能力を超えるような程度の値しかＬ１にない場合、この距離Ｌ１は無視されて物体表面位置に対するピンホール上での集光点位置が不正確であったと判断され、表面形状に変位のない平坦な物体として測定誤差が生じてしまう。実際に光検出器の分解能力を超えるような精度での測定、つまりＬ１の変位を検出できるような測定感度に変更して測定を実施したい分野は、ＩＣチップの表面測定やプリント基板、レンズの研磨面など多岐に存在している。しかしこれらの要求に応えられる安価な装置はこれまで提供されていない。

上記のような問題は表面形状に殆ど差がなく平坦面に近いときに発生しやすく、また測定のために所望点をサンプリングするとき、そのサンプリングする位置の量子化時にも発生しやすい。

図２Ｂはもう１つの問題について説明する図である。この問題は対物レンズやステージなどの振動体が振動してその集光点位置が移動する範囲と、物体上で実際に測定する高さ方向の範囲を合わせにくいということである。図は、振動体としての対物レンズ３が距離Ｌ３の範囲内で振動し、物体５には凸面部１０ａ表面と凹面部１０ｂの表面が存在する例となっている。このような例で対物レンズ４が振動して最も物体５側に近づいたとき、物体５上の凸面部１０ａと対物レンズ集光点位置が一致したとすると、対物レンズ３の距離Ｌ３内での振動は物体の凸面部１０ａからその上方に位置する距離Ｌ４内で集光点位置が移動することになる。距離Ｌ３とＬ４の値は一致するが、物体５上の高さ方向測定範囲は凸面部１０ａから下方位置にある凹面部１０ｂまでの距離Ｌ５であるから、対物レンズ３による集光点が振動する範囲Ｌ３（Ｌ４）と測定する範囲Ｌ５の存在する位置が一致しないことになる。これは測定開始時に物体表面位置に対する対物レンズ３集光点位置の設定が不適切であったことによるが、やはり測定誤差の因となる。
このように第２の問題は物体の表面に１０ａから１０ｂまでのような範囲Ｌ５の変位が存在している事と、その存在している光軸方向の位置を測定開始前に把握していないときに発生しやすい。そのためＬ５の存在と、その存在位置を確認しＬ５が存在している位置に対物レンズ３集光点の振動範囲Ｌ３が一致するよう両者の位置関係を調整することが必要となる。そして両者の位置関係が一致したら、必要に応じて対物レンズ３の集光点位置を測定範囲Ｌ５中の任意測定点位置、例えば凸面部１０ａと凹面部１０ｂの中間点に位置するよう設定してやればよい。

上記のようにこれまでの共焦点走査光学系を採用した光学変位計では、前記特許文献１-４にも記されているように物体表面に反射率が異なる部分が混在するようなときや、表面色の異なる部分が混在するようなときであっても、よく機能して変位量を測定していくことが出来る。しかし物体表面に対する共焦点走査光学系中の対物レンズ集光点位置は一義的に決められ、また振動体の振動量にも制限があるので、例えば図２Ａの変位量Ｌ１、図２Ｂの変位量Ｌ５のように表面形状に差異がある場合（Ｌ１＜Ｌ５）に、その表面形状に応じて測定感度を変更して測定するというようなことは出来なかった。また図２Ｂで説明したような測定範囲Ｌ５を持つ表面形状の物体のような場合、このＬ５が存在する位置の確認と、その位置に対する対物レンズ集光点位置（振動体の振動範囲Ｌ３）の関係を容易に調整して、両者を一致させるという手段が確立していなかった。

従って本発明の第１の課題は、共焦点走査光学系の特徴は維持したまま図２で説明したような変位量Ｌ１、Ｌ５を持つ物体表面形状であっても、容易に安価な手段でその測定感度を変更して測定が行えるようにすることである。そして第２の課題は測定する範囲Ｌ５の存在と、その存在位置を事前に確認できるようにすることである。そして確認したらＬ５の存在する位置に対する対物レンズ集光点位置の関係を調整できるようにすることである。

上記課題を解決するため本発明は、レーザ光源からの光束を内部に設置した振動体を介して物体表面に向かわせ、その反射光をピンホールに集光して通過する光束を光検出器で検出し、それを物体表面形状高さ方向変位量の測定信号とする共焦点走査光学系と、この共焦点走査光学系の集光点を一次結像面とし、この一次結像面と共役位置関係にある物体表面間に位置するよう設置され、一次結像面からの光束を受けて物体表面に導き、その反射光を共焦点走査光学系に戻して前記ピンホールに向かわせる倍率変換光学系と、画像用照明系で照明された物体表面からの反射光を倍率変換光学系から前記共焦点走査光学系に戻して分岐し、観察画像として表示部に表示する観察光学系とを備え、物体表面形状に応じて倍率変換光学系の倍率を交換するようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明によるものは前記請求項１記載の光学変位計において、光検出器が検出した物体からの反射光をオートフォーカス指令信号として受け、物体表面に集光点を結ぶようにした倍率変換光学系としたことを特徴とする
請求項３の発明によるものは前記請求項１、２記載の光学変位計において、倍率変換光学系による物体表面集光点位置をオートフォーカスによって探索し、その後オートフォーカスを実行したレンズ位置を固定し、共焦点走査光学系の振動体に振動指令を与えるようにしたことを特徴とする。
請求項４の発明によるものは前記請求項１、２記載の光学変位計において、共焦点走査光学系一次結像面からの光束を受けたオートフォーカス倍率変換光学系で物体表面の所望領域を予備走査し、得られた予備走査信号から物体表面形状高さ方向の最高位点と最低位点を抽出して記憶する制御部と、前記記憶した最高位点と最低位点とから算出した測定範囲中の測定基準点位置に、前記倍率変換光学系の集光点位置が一致するよう両者の相対位置関係を設定する位置決め手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明は共焦点走査光学系に倍率変換光学系を連結して、共焦点走査光学系の集光点と倍率変換光学系の集光点とに共役関係を持つ光学系の変位計としたことを特徴とする。それによって変位量が少なく測定誤差が生じやすい物体表面形状であったとしても、表面形状に応じて倍率を交換できる倍率変換光学系によって測定感度を変更して測定していくことができる。この測定感度の変更は表面形状の状況に応じて容易にしかも簡単な操作で変更できるから、光検出器の受光分解能力や振動体の振動量などによって一義的に決定されていた測定精度を向上することができる。また測定感度の変更は共焦点走査光学系内のレンズ構成や制御部内の演算処理などをなんら変更することなく実施できるから、全体としてコストの上昇を抑えることができる。
一方、倍率変換光学系をオートフォーカスにすることで物体表面の存在位置を事前に探索できるから、物体表面位置に対する倍率変換光学系集光点の位置関係を正しく設定することが出来る。さらにオートフォーカスとした倍率変換光学系を用いて、物体上を予備走査すれば物体上の所望領域から最高位点と最低位点を知ることが出来る。それによって最高位点と最低位点を結ぶ実際の高さ方向の測定範囲Ｌ５の存在を知ることが出来る。そしてこの測定範囲Ｌ５と振動範囲Ｌ３の位置関係を認識することで、率変換光学系の集光点位置を物体表面測定範囲Ｌ５中の任意測定点位置と一致させるという両者の相対位置関係の設定を自動化することが出来る。この自動化は測定範囲Ｌ５と振動範囲Ｌ３が一致しているという保証を作業に与え、信頼性をえることになる。また倍率変換光学系の設置は物体表面上に拡張した作動距離（ＷＤ）を作り出すから、全体の作業性や物体の取り扱い、倍率変換光学系のレンズ交換作業など操作性を向上する。
さらに物体面からの反射光を分岐して観察光学系を設けたのでその表示部で前記倍率変換光学系で倍率変換した物体表面からの画像を確認することができ、測定感度を変更した後の状況を測定開始前に知ることが出来る。

以下に本発明による光学変位計について添付図面に基づいて説明する。

図３は光学変位計の全体的な構成を示す概略図である。図において１１は図１などで示した共焦点走査光学系全体を示していて、振動体は対物レンズ４が光軸９方向に矢印９ａのように所定振幅で振動する例となっている。レーザ光源１からの光束は対物レンズ４の集光点１２に一旦集光する。この集光点１２を一次結像面として投影された光束は、一次結像面１２と共役位置関係になる物体５間に設置される倍率変換光学系１３を経て物体５表面に導かれる。この倍率変換光学系１３中には倍率を変換するために構成された複数のレンズ、例えば１４、１５が収容され、予め必要とする倍率のものが用意されて、それらは光学系１３中に交換自在に装着される。ただしその機構については一般的なものを採用すればよく、ここではその説明は省略する。物体５はＸ、Ｙ方向に移動する第１ステージ１６とＺ方向（光軸９方向）に移動する第２ステージ１７上に設置され、手動若しくは制御部１８からの指令（図示せず）で移動する。
このように全体の光学系は共焦点走査光学系１１に倍率変換光学系１３が連結され、共焦点走査光学系１１の一次結像面１２と倍率変換光学系１３の集光点位置は共役関係で形成される。

物体５上を照明する図示してない画像照明用光源からの照明光束は、物体上の光軸９を中心とする周辺を照明する。するとその反射光は倍率変換光学系１３を経て共焦点走査光学系１１に戻り、内部の対物レンズ４とコリメータレンズ３間に設置されたビームスプリッタ１９で反射分岐され、観察光学系２０のレンズ２１によってＣＣＤなどによる受光部２２に投影される。受光部２２に投影された反射光の信号は制御部１８から表示部２３に送られて表示される。表示部２３に倍率変換されて表示される物体表面の画像を確認し、必要に応じて第２ステージ１７を光軸方向に移動するなどして画像品質を調整する。このようにすることで振動体４を振動して物体５を測定開始する以前に、第１ステージ１６をＸ，Ｙ方向（光軸と直交する方向）に移動するなどして、物体表面の所望領域形状を表示部２３で確認する。もし図２Ａのように物体表面形状の変位量Ｌ１が微小な場合には、倍率変換光学系１３の倍率を交換することによってその変位量を表示部２３の画面上で確認する。
尚、上記説明では振動体４を実際に振動するための具体的手段についての説明は省略してあるが、前記特許文献１-４などに示されているものをそのまま採用することができる。また共焦点走査光学系１１として示した光学系は、図３のような例だけでなく特許文献２、３、４等の光学系とすることが出来る。そして特許文献２の光学系を採用するときは物体５を振動することになるので、振動体としての物体は倍率変換光学系１３を間に介在して設置されることになる。本発明ではこの特許文献２を採用するときも物体表面形状高さ方向変位量を共焦点走査光学系内に設置した振動体の振動で検出し測定すると表現する。

次に実際の測定作業について説明する。先ず倍率変換光学系１３に装着するレンズ１４、１５の倍率を選択して所望レンズを装着する。次いでキーボードやマウスなどの入力部２４から制御部１８に指令して共焦点走査光学系１１の光源１を点灯（ＯＮ）する。するとその光束はコリメータレンズ３、対物レンズ４、一次結像面１２、倍率変換光学系１３を経て物体５に向かう。そしてその表面で反射した光束は往路を戻り、共焦点走査光学系１１のビームスプリッタ２で反射しピンホール７に向かう。このとき図２Ａのように微小な変位量Ｌ１が物体表面にあったとしても、あるいは図２Ｂのような変位量Ｌ５が物体表面にあったとしても、前記し、また後に詳しく説明するように事前に表示部２３でそのＬ１、Ｌ５の存在を確認しているので、ピンホール７はその差を識別してピントの合った光束だけを取り出して光検出器８に送り出す。従って制御部１８から駆動部２５に指令して振動体としての対物レンズ４を振動させれば、光検出器８からの信号が物体表面形状変位量を測定した信号として制御部１８に伝えられる。制御部１８はこの光検出器８からの信号をメモリ２６に伝えて保存する。

図４の説明図を用いてさらに詳しく説明する。この図は倍率変換光学系１３について説明するもので、振動体の振動範囲Ｌ４（Ｌ３）と測定範囲Ｌ５の関係を示している。またこの光学系は図３とは異なって横方向として示してある。図Ａは倍率変換光学系１３を等倍にしたときの例１３ａである。共焦点走査光学系１１内部に設置した対物レンズ４からの光束は、その集光点である一次結像面１２を経て倍率変換光学系１３ａによって物体５に向かう。対物レンズ４が振動体として設定された振幅量で振動すると、対物レンズ４の集光点位置も一次結像面１２を中心として同じ振動（幅）量で移動する。対物レンズ４の振動量を図２Ｂの例にならってＬ３とすると、一次結像面１２での集光点の振動範囲はＬ４（Ｌ３＝Ｌ４）となる。この振動範囲Ｌ４が等倍として準備された倍率変換光学系１３ａを経由して物体５に向かったとき、その振動範囲Ｌ４はＬ５となる。具体的には等倍であるからＬ５＝Ｌ４となるが、
Ｌ５＝Ｌ３×１／Ｍ×Ｍ・・・・（Ｍは倍率変換光学系１３の倍率）
でもとめられる。今、仮にＬ３＝１／１００μｍとすると、Ｌ５＝１／１００×１／１×１となり、Ｌ５は１／１００μｍとなる。したがって物体５表面の１／１００μｍが変位量を測定するための範囲Ｌ５となる。この当倍光学系１３ａの設置は物体５上（図では右方）に作動距離ＷＤを確保する。

図４Ｂは倍率変換光学系１３を１／２倍としたときの例１３ｂである。対物レンズ４が振動すると一次結像面１２では図Ａのときと同様にＬ４の振動範囲となる。この振幅範囲Ｌ４は１／２倍の光学系１３ｂによって物体５上に向かうとき、その振動範囲はＬ５ｂ（Ｌ５ｂ＞Ｌ５）となる。具体的には
Ｌ５ｂ＝１／１００μｍ×１／０．５×０．５＝１／２５μｍとなる。
これで物体５上のＬ５ｂは振動体の１／１００μｍに対して１／２５μｍとなって拡がり、この拡がった振動範囲Ｌ５ｂを物体の測定範囲とすることが出来る。
このような光学系１３ｂを用いて予め物体５の所望領域をＸ、Ｙ方向に走査すれば、拡げられた測定範囲Ｌ５ｂ内での表面形状を表示部２３で観察確認することが出来る。そして確認したら実際の測定を開始していく。またこのような所望領域のＸ、Ｙ方向走査を予め実施すれば、その後にこのＬ５ｂ内の特定部分、例えば図のＬ５ｂｂを新たな測定範囲として次に説明する図４Ｃの倍率変換光学系１３ｃを用いて再測定を開始するという二重の測定も実行できるようなる。この二重測定方法を採用して前記した図２Ｂの物体を測定する場合は、先ず図４Ｂの光学系１３ｂで図２Ｂの物体５をＸ、Ｙ方向に予め走査する。すると図２ＢのＬ５が図４ＢのＬ５ｂとして走査されるから、凸面部１０ａと凹面部１０ｂの存在することが表示部２３で確認できる。この確認で凸面部１０ａ上だけをさらに詳しく測定したいと判断したときは、倍率変換光学系１３ｂを次に説明する図４Ｃの光学系１３ｃに交換する。そして本測定を開始すれば凸面部１０ａを光学系１３ｃの倍率で精細に測定していくことが出来る。

この図４Ｂの光学系１３ｂは、前記のように図２Ｂで説明した測定範囲Ｌ５の存在を確認するようなときに使用するとその効果は大きい。これはＸ、Ｙ方向の走査を予め実施することで表示部２３で凸面部１０ａと凹面部１０ｂを確認することが出来るから、その存在を確認したらそのＬ５の存在している物体上の位置と、倍率変換光学系の集光点位置が一致するよう両者の位置関係を調整し設定する。具体的には画面を観察しながら第２ステージ１７を光軸方向に移動して、集光点が凸面部１０ａと凹面部１０ｂ間の任意測定点位置、例えば中間点に位置するよう両者の相対位置関係を設定する。そして対物レンズ４を振動させれば倍率変換光学系の集光点が測定範囲Ｌ５内を測定していく。

次に図４Ｃについて説明する。この図は倍率変換光学系を２倍にしたときの例１３ｃである。対物レンズ４が振動すると、一次結像面１２には図Ａ、Ｂのときと同様に集光点はＬ４の振幅範囲で移動する。この振幅範囲Ｌ４は光学系１３ｃを経ることでＬ５ｃ（Ｌ５ｃ＜Ｌ５＜Ｌ５ｂ）となる。具体的には
Ｌ５ｃ＝１／１００μｍ×１／２×２＝１／４００μｍとなる。
これで物体上の振動範囲Ｌ５ｃは振動体の１／１００μｍに対して１／４００μｍとなって縮小され、この縮小された振動範囲Ｌ５ｃを測定範囲とすることになる。従って例えば図２Ａのように表面形状変位量が小さい物体の場合に適用すれば効果を発揮できる。
以上説明してきたように倍率変換光学系１３の設置は、共焦点走査光学系１１が持つ特徴を維持したままで物体表面形状に応じた感度に変更して測定を進めていくことが出来る。そしてこの測定感度を自由に変更できるということは、これまでの変位量検出精度を向上するということになる。

実施例２は倍率変換光学系１３をオートフォーカスとしたものである。図５Ａにおいて共焦点走査光学系１１ａからの光束は一次結像面１２を経て倍率変換光学系１３ｄに向かう。この光学系１３ｄはレンズ２７、２８などによってオートフォーカスが実行されるよう構成されており、この例ではレンズ２８が光学系１３ｄ中の基本位置から駆動部２９によって光軸９方向（矢印３０方向）に移動することでオートフォーカスが実行される。倍率変換光学系１３ｄを経た光束は物体５上の集光点に導かれる。この物体５は第１ステージ１６と第２ステージ１７上に設置されていて、第１ステージ１６は制御部１８からの指令を受ける駆動部３１によってＸ、Ｙ方向に移動され、第２ステージ１７も制御部１８からの指令を受ける駆動部３１によってＺ方向に移動する。

入力部２４からオートフォーカスの指令を制御部１８に与える。すると制御部１８は光源１を点灯し、その光束を一次結像面１２からオートフォーカスの倍率変換光学系１３ｄを経て物体５に向かわせる。物体５上で反射した光束は往路を戻り、倍率変換光学系１３ｄ、共焦点走査光学系１１ａのビームスプリッタ２からピンホール７を経て光検出器８で検出され、その結果が制御部１８に伝えられる。もしピンホール７を通過できないような反射光であったとすれば制御部１８は駆動部２９に指令を与え、レンズ２８を光軸９（矢印３０）方向に移動して集光点に対する物体表面位置を探索する。物体からの反射光は物体表面の高さ方向形状に応じてピンホール７上に光点を結ぶ光束と結ばない光束に変化する。これを受光部２２で検出して制御部１８から駆動部２９に伝えれば、レンズ２８へのオートフォーカス指令となる。つまりピンホール７上の集光状態をレンズ２８の移動指令信号とすることでオートフォーカスが実行される。オートフォーカスが実行されるとその集光点位置が物体５の表面位置を求めて探索していく。こうして両位置が一致するとオートフォーカスを実行したレンズ、この例では２８の位置が固定され、次いで制御部１８は駆動部２５に指令して対物レンズ４をＬ３の振幅で振動する。この振動でレンズ２８が探索した位置の物体表面変位量が測定される。仮に物体表面形状が図２ＡのようにＬ１の変位量を持っていたとすれば（Ｌ１≦Ｌ３）、オートフォーカスを実行したことでこのＬ１を範囲とする測定が実施される。あとは駆動部３１から第１ステージ１６に指令を与へながらＸ、Ｙ方向に移動していけば所望領域の測定を進めていくことが出来る。

このようにオートフォーカスの倍率変換光学系１３ｄとしたことによって、どのような変位量を持つ物体であったとしても、その物体表面位置を迅速に探索することが出来る。物体表面位置がレンズ２８のオートフォーカス機能を越えるような位置にあるときは、つまり物体面とレンズ２８の集光点位置間にオートフォーカス機能で処理できない隔たりがあると制御部１８が判断したときは、駆動部３１を通じて第２ステージ１７に指令を出し必要量だけ光軸方向に移動させる。また物体の表面形状が図２Ｂのように変位量Ｌ５を持つ場合、オートフォーカスを実行したときに探索した表面位置が１０ａなのか１０ｂなのか判断できない。そのため対物レンズ４に振動指令を与えることが出来ない。したがってこの実施例では物体表面位置と倍率変換光学系１３ｄの集光点位置がオートフォーカスによって探索されたら、レンズ２８の位置を固定したまま手動で第２ステージ１７を光軸方向に微動し、表示部２３を確認しながら変位量がＬ１かＬ５かを調べる必要がある。ただし予め表面形状の変位量がＬ１程度であるとわかっている場合には、物体表面位置の事前の探索効果は操作上からも大きな意義がある。

図５Ａにおいて倍率変換光学系１３ｄの下側に示した３２は画像照明用光源などを含む照明系で、物体上の光軸９を中心としてその周辺を照明する。照明された物体からの反射光はレンズ２８を経てビームスプリッタ１９ａによって分岐される。このビームスプリッタ１９ａはレンズ２７とレンズ２８間の平行光束中に設置され、図３で共焦点走査光学系１１中に示したビームスプリッタ１９に相当している。ビームスプリッタ１９ａで反射した光束は観察画像光束としてレンズ２１ａにより受光部２２ａに投影される。これらレンズ２１ａ、受光部２２ａは観察光学系２０ａを形成するが、前記した図３の観察光学系２０に相当している。受光部２２ａからの画像信号は制御部１８から表示部２３に送られ、観察画像として表示される。この例では観察光学系２０ａを倍率変換光学系１３ｄから分岐して設置するようにしているが、図３のように共焦点走査光学系１１ａに設置することも出来る。

実施例３について図５を用いて説明する。先の実施例２で説明したようにして物体面とオートフォーカスの倍率変換光学系１３ｄ集光点を一致させる。次に入力部２４から予備操作を行うよう指令する。この予備操作は物体表面の高さ方向測定範囲がＬ５のような場合に実施するもので、制御部１８がこの指令を受けると駆動部３１に指令を送って第１ステージ１６をＸ、Ｙ方向に移動しながら所望領域を走査する。この間、レンズ２８は制御部１８と駆動部２９によって表面形状に沿いながらオートフォーカスを実行していく。そしてこのオートフォーカスによって光軸方向に移動したレンズ２８の全移動実績が予備走査信号として制御部１８内のメモリ２６に記憶される。
所望領域の予備走査が終了すると、制御部１８は得られた全予備走査信号、即ちレンズ２８の光軸方向全移動実績から物体表面形状高さ方向の最高位点と最低位点とを抽出し、それを再度メモリ２６に記憶する。この記憶した最高位点と最低位点間が測定範囲Ｌ５となる。予備走査した物体が仮に図５Ｂに示すような断面形状をもつ物体５ｂであったとすると、制御部１８は予備走査の結果として最高位点１０ｃと最低位点１０ｄを抽出し、両者間を測定範囲Ｌ５として記憶する。この記憶したＬ５がＬ５≦Ｌ４であれば制御部１８は次の作業に入る。

このような準備が出来ると制御部１８は記憶した測定範囲Ｌ５から、例えば両者の中間点１０ｅを測定基準位置として算出し、その基準位置１０ｅがレンズ２８の集光点位置となるよう駆動部２９、若しくは３１に指令する。この指令によって物体測定範囲Ｌ５に対する倍率変換光学系１３ｄの集光点位置が１０ｅ位置に設定されるから、駆動部２９、３１は物体表面位置に対する倍率変換光学系集光点位置を一致させるための相対位置設定用の位置決め手段として機能する。
位置関係の設定が終了すると、制御部１８は駆動部２９に指令してレンズ２８のフォーカス機能を止めて固定し、さらに対物レンズ４に振動開始を指令する。同時に駆動部３１から第１ステージ１６に指令して予備走査を開始した原点位置に移動し、それを本走査開始時の原点位置として確保する。

本走査が上記の原点位置から開始されると、対物レンズ４は位置決め手段２９、３１によって設定された測定範囲Ｌ５中の測定基準位置１０ｅを中心として光軸方向に振動しながら物体上を測定していく。するとその反射光が共焦点走査光学系１１のピンホール７に向かい、ピントの合った光束が光検出器８で検出される。光検出器８は検出した信号を制御部１８に伝え、制御部１８はそれを測定信号としてメモリ２６に伝えて記憶していく。一方、駆動部３１は第１ステージ１６をＸ、Ｙ方向に移動して物体表面所望領域の走査を進める。こうして予備走査によって得られた測定範囲Ｌ５の測定が所望領域全体にわたって行われる。その結果は制御部１８内のメモリ２６に記憶され、随時、プリンタなどの出力部や表示部に出力される。

以上の説明は図５Ｂに示した物体５ｂの測定範囲Ｌ５の値が振動体４の振動範囲Ｌ３の値と一致、若しくはそれ以下（Ｌ５≦Ｌ３）のときとなっている。物体５ｂの測定範囲Ｌ５が振動体４の振動範囲Ｌ３を超えるようなときは、先に説明した二重測定のように分割しての測定となる。この場合も予備走査によってＬ５の値を予め知ることが出来るから、振動範囲Ｌ３と比較することで二重測定とするか、本測定を実施する測定範囲を限定するかなどの対策を立てればよい。

従来装置を説明するための光学系概略図。 測定誤差について説明する図。 本発明装置の全体的な構成を示した概略図。 倍率変換光学系の説明図。 実施例２、３について説明する図。

符号の説明

１・・・光源 ２・・・ビームスプリッタ ４・・・対物レンズ ５・・・物体 ７・・・ピンホール ８・・・光検出器 ９・・・光軸 １０・・・物体表面 １１・・・共焦点走査光学系 １２・・・一次結像面 １３・・・倍率変換光学系 １６・・・第１ステージ １７・・・第２ステージ １８・・・制御部 ２０・・・観察光学系 ２２・・・受光部 ２３・・・表示部 ２５・・・駆動部 ２９・・・駆動部 ３１・・・駆動部

Claims (4)

1. レーザ光源からの光束を内部に設置した振動体を介して物体表面に向かわせ、その反射光をピンホールに集光して通過する光束を光検出器で検出し、それを物体表面形状高さ方向変位量の測定信号とする共焦点走査光学系と、この共焦点走査光学系の集光点を一次結像面とし、この一次結像面と共役位置関係にある物体表面間に位置するよう設置され、一次結像面からの光束を受けて物体表面に導き、その反射光を共焦点走査光学系に戻して前記ピンホールに向かわせる倍率変換光学系と、画像用照明系で照明された物体表面からの反射光を倍率変換光学系から前記共焦点走査光学系に戻して分岐し、観察画像として表示部に表示する観察光学系とを備え、物体表面形状に応じて倍率変換光学系の倍率を交換するようにしたことを特徴とする光学変位計。
2. 光検出器が検出した物体からの反射光をオートフォーカス指令信号として受け、物体表面に集光点を結ぶようにした倍率変換光学系としたことを特徴とする前記請求項１記載の光学変位計。
3. 倍率変換光学系による物体表面集光点位置をオートフォーカスによって探索し、その後オートフォーカスを実行したレンズ位置を固定し、共焦点走査光学系の振動体に振動指令を与えるようにしたことを特徴とする前記請求項１、２記載の光学変位計。
4. 共焦点走査光学系一次結像面からの光束を受けたオートフォーカス倍率変換光学系で物体表面の所望領域を予備走査し、得られた予備走査信号から物体表面形状高さ方向の最高位点と最低位点を抽出して記憶する制御部と、前記記憶した最高位点と最低位点とから算出した測定範囲中の測定基準点位置に、前記倍率変換光学系の集光点位置が一致するよう両者の相対位置関係を設定する位置決め手段と、を備えたことを特徴とする前記請求項１、２記載の光学変位計。