JP2017090395A

JP2017090395A - 干渉対物レンズ及び参照面ユニットセット

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Publication number: JP2017090395A
Application number: JP2015224416A
Authority: JP
Inventors: 博久半田; Hirohisa Handa
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2017-05-25
Also published as: DE102016222615A1; CN107036548B; US10042151B2; US20170139194A1; CN107036548A

Abstract

【課題】参照面を本体から着脱可能な干渉対物レンズを提供する。
【解決手段】光源から出力された光を被測定物に向けて収束させる対物レンズと、参照面を備える参照面ユニットと、対物レンズを透過してきた光を、参照面に向かう参照光路と被測定物に向かう測定光路とに分岐させると共に、参照面からの反射光と被測定物からの反射光とを合成して干渉光として出力する分割合成部材と、を備える干渉対物レンズにおいて、参照面ユニットは交換可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡及び顕微鏡をベースとした画像測定機や微細形状測定機に用いられる干渉対物レンズ及び参照面ユニットセットに関する。

金属加工面の表面性状や半導体集積回路の回路パターンの形状や段差測定、さらに、透明薄膜の厚さ計測等の分野においては、倍率の低い光学的なマクロ拡大観察装置や、それらより比較的倍率の高い光学顕微鏡に干渉機能を付加し、観測された干渉縞を画像処理することにより微細な表面形状を高精度に測定する方法がよく用いられている。

このような干渉計測が可能な拡大光学装置においては、干渉計を構成する部材や構造は一般に対物レンズと一体的に構成され、単体で干渉計として機能するようになっている。このような対物レンズを干渉対物レンズという。一般的な干渉対物レンズは、対物レンズ、参照面、及び分割合成部材を備える。対物レンズは、光源から出力された光を被測定物に向けて収束させる。対物レンズで収束された光は分割合成部材において、基準となる参照面に向かう参照光路と被測定物表面（被測定面）に向かう測定光路とに分割される。参照光路を経た光は参照面において、測定光路を経た光は被測定面において、それぞれ反射され、各反射光は分割合成部材において再び合成されて干渉光として出力される。

干渉を生じさせるための光源としては、通常、白熱電球あるいはＬＥＤ等が発生する白色光が用いられる。白色光の干渉性の低さ故に、参照光路と測定光路との光路差がゼロ近辺となる狭い範囲において干渉輝度がピークになる。そのため、干渉対物レンズを高さ方向（光軸方向）に走査（測定光路長を変化）して、撮像装置の視野内の各ピクセル位置で干渉縞の輝度がピークになる高さをそれぞれ検出することで被測定物の三次元形状などを精密に測定することができる。

干渉対物レンズでは、大きく分けてマイケルソン型とミラウ型の２種類の構造が一般によく用いられる。マイケルソン型は、被測定物とは別に設けられた光軸上に参照面を有する構造であり、主に２０倍以下の低倍率の対物レンズに対して用いられる。ミラウ型は、被測定物と同一の光軸上に参照面を有する構造であり、マイケルソン型に比べて作動距離が大きく取れない高倍率の対物レンズに対して用いられる。

従来の干渉顕微鏡や干渉対物レンズとして、例えば特許文献１〜３に示される先行技術が知られており、調整機構として例えば特許文献４に示される先行技術が知られている。

特表２００５−５３８３５９号公報特表２００７−５３６５３９号公報特開平５−１１８８３１号公報特開２０００−１９３８９１号公報

比較的低倍率の顕微鏡対物レンズでは、ＮＡが小さいため、光が光軸に対して小さい傾きで被測定面に入射し、作動距離が長くなることから、金属面やガラス面など種々の反射率を持つ被測定面固有の反射率の影響を受けやすい。例えば実際の測定においては、反射率の高い金属反射面で最適な干渉縞のコントラストが得られる参照面を持つ干渉対物レンズを用いて、ガラス等の反射率の低い表面性状を持つ被測定物を観察すると、白色干渉縞のコントラストが低下する等といった現象が生じる。

このような問題への対処方法として、被測定物の反射率に応じた最適な反射率を有する参照面を適宜選択して使用することが考えられる。
しかし、干渉計測に用いられる白色光は可干渉性の低いインコヒーレントな光であるため、干渉を生じさせるためには被測定物が配置される測定光路の光路長と参照面が配置される参照光路の光路長とを厳密に一致させる必要がある。例えば、光軸方向で明瞭な干渉縞が現れるのは通常１μｍ以下と非常に狭い範囲であり、厳密に一致させないと干渉縞を画像として得ることができなくなる。そのため、分割合成手段、参照面、及び被測定面の相互には厳密な位置関係が必要であり、かつ、被測定面は同時に対物レンズの焦点位置でもあるため、製造に際しては部品自体の製造のみならず組立調整にも非常に困難が伴う。このような事情から干渉対物レンズは、レンズの理想的な焦点位置で白色干渉縞が発生するように調整・固定された状態で出荷されるのが一般的である。
従って、干渉対物レンズの参照面を測定対象に応じて任意に選択することは事実上困難であり、被測定物の反射率に応じた参照面を備える干渉対物レンズを複数用意する必要があった。また、干渉対物レンズが測定装置と一体になっている場合には、測定装置自体を複数用意する必要があった。

本発明の目的は、参照面を本体から着脱可能な干渉対物レンズ及び参照面ユニットセットを提供することにある。

（１）本発明の干渉対物レンズは、光源から出力された光を被測定物に向けて収束させる対物レンズと、参照面を備える参照面ユニットと、対物レンズを透過してきた光を、参照面に向かう参照光路と被測定物に向かう測定光路とに分岐させると共に、参照面からの反射光と被測定物からの反射光とを合成して干渉光として出力する分割合成部材と、を備える干渉対物レンズであって、参照面ユニットが着脱自在に装着され、すなわち交換可能であることを特徴とする。
これにより、被測定面の反射率が支配的な低倍率の干渉計測時において、最適な表面性状を持った参照面を選択して使用することができ、いかなる被測定物の場合でも常に良好なコントラストの干渉縞画像を得ることができる。
（２）参照面ユニットの参照面は、従来のようなプレーンなミラーによる参照面だけではなく、平面以外の任意形状、段差、又は形状パターンを持つ参照面を使用してもよい。任意形状は例えば、被測定物の表面形状に対応した形状とするとよい。これにより、比較測定等を容易かつ高速に行うことが可能となり、測定時間を短縮することができる。
（３）参照面ユニットを、参照面の傾斜角度を調整可能に構成した上で、傾斜角度を任意の角度で固定するためのロック機構を設けてもよい。これにより、参照面の傾斜角度を調整し、調整した角度を固定することができるため、調整を済ませた参照面ユニットを予め用意しておくことで、必要時に速やかに交換して迅速に測定を行うことができる。また、測定中に調整状態が変化することを防ぐことができる。更に、着脱可能な傾斜調整ユニットを使用する場合にその着脱時に調整状態が変化することが防ぐことができる。
（４）参照面の傾斜角度を、着脱可能な傾斜調整ユニットを用いて調整できるように構成してもよい。このように構成することで、傾斜調整ユニットとして、手動で傾斜量を調整する部材のほか、ＰＺＴやその他のアクチュエータが内蔵され数値制御が可能な自動調整部材を使用することが可能となる。
（５）参照面の反射率、並びに形成される任意形状、段差、及び形状パターンの少なくとも１つが互いに異なる複数の参照面ユニットを備える参照面ユニットセットを用意しておくことで、被測定面の性状に応じた適切な参照面に逐次交換して、精度よく、かつ効率的に測定を行うことができる。
（６）参照面ユニットセットを用意する際には、複数の参照面ユニットの参照面の傾斜角度の調整を予め済ませておくと、より効率的に測定を行うことができる。

第１実施形態の干渉対物レンズの構成を示す外観図である。第１実施形態の干渉対物レンズの光学的構成図である。第２実施形態の干渉対物レンズの参照面ユニットの部分を示す図である。傾斜調整ユニットの構成例を示す図である。参照面ユニットの内部構成を示す分解図である。参照面ユニットの内部構成を示す別の分解図である。傾斜調整ユニットが装着された状態を示す図である。傾斜調整ユニットが取り外された状態を示す図である。戻しバネと切欠き部との嵌合状態を説明する図である。ダストカバーの装着前後の状態を示す図である。自動の傾斜調整ユニットが装着された状態を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態による干渉対物レンズ１００の構成を示す外観図であり、図２はその光学的構成図である。干渉対物レンズ１００は、対物レンズ１０１、分割合成部材１０２、及び参照面ユニット１０４を備える。

対物レンズ１０１は、光源１０から出力された光を被測定物Ｗに向けて収束させる。一般的な干渉計測装置では、光源１０から出力された光は、コリメータレンズ２０を介してビームスプリッタ３０に平行に照射され、ビームスプリッタ３０からは光軸に沿った平行ビームが出射されて対物レンズ１０１に入射する。

参照面ユニット１０４は、少なくとも参照面１０４ａを備える。参照面１０４ａは光路長の基準となる面であり、参照光路に配置される。

分割合成部材１０２は、対物レンズ１０１を透過してきた光を、参照面１０４ａに向かう参照光路と被測定物Ｗに向かう測定光路とに分岐させると共に、参照面１０４ａからの反射光と被測定物Ｗからの反射光とを合成して干渉光として出力する。一般的な干渉計測装置では、出力された干渉光は対物レンズ１０１で平行ビームとされ、ビームスプリッタ３０を直進透過した後、結像レンズ４０において収束された上で、２次元状に配列された複数個の画素を有する撮像素子からなるＣＣＤカメラ等の撮像部５０上で干渉画像が結像される。

参照面ユニット１０４は、対物レンズ１０１と分割合成部材１０２とを含む本体１０３に着脱自在に装着され、すなわち交換可能とされている。例えば、参照面ユニット固定ネジ１０５により本体１０３に固定し、参照面ユニット固定ネジ１０５を緩める又は外すことで本体から取り外せるように構成する。

参照面ユニット１０４を交換可能とすることで、被測定面の反射率が支配的な低倍率の干渉計測時において、最適な表面性状を持った参照面を選択して使用することができ、いかなる被測定物の場合でも常に良好なコントラストの干渉縞画像を得ることができる。また、従来のようなプレーンなミラーによる参照面だけではなく、平面以外の任意形状、特定の段差、又はＩＣパターン等の特定の形状パターンを持つ参照面を使用することが可能となる。任意形状としては、例えば被測定物の表面形状に対応した形状を持つ参照面を使用することが可能となる。これにより、比較測定等を容易かつ高速に行うことが可能となり、測定時間を短縮することができる。

＜第２実施形態＞
図３は第２実施形態による干渉対物レンズ１００ａの参照面ユニット１０４の部分を抜粋した図であり、(a)が外観、(b)が内部構成を示したものである。また、内部構成の分解図を図５、図６に示す。
干渉対物レンズ１００ａは、干渉対物レンズ１００の参照面ユニット１０４において参照面１０４ａの傾斜角度を調整可能とし、更に傾斜角度を任意の角度で固定可能とした構成であり、本体１０３については、干渉対物レンズ１００と同様である。

参照面ユニット１０４は、参照面１０４ａに加え、固定軸受１０４ｂ、参照面可動軸受１０４ｃ、軸１０４ｄ、可動軸受１０４ｅ、傾斜調整ユニット１０４ｆ、及びロック機構１０４ｇを備える。

固定軸受１０４ｂは、光軸に沿った方向以外には拘束されるように設けられる軸受である。

参照面可動軸受１０４ｃは、参照面１０４ａが嵌め込まれ、固定軸受１０４ｂに挟み込まれた状態で参照面１０４ａとともに自由に傾斜姿勢を変えることができるように設けられる。

軸１０４ｄは、固定軸受１０４ｂを貫通し、かつ、参照面可動軸受１０４ｃと可動軸受１０４ｅに両端が固定される。

可動軸受１０４ｅは、自由に傾斜姿勢を変化させることができるように設けられ、傾斜姿勢を変化させることで軸１０４ｄを介して傾斜姿勢の変化が参照面可動軸受１０４ｃに伝達される。参照面可動軸受１０４ｃと固定軸受１０４ｂとが接する面、及び固定軸受１０４ｂと可動軸受１０４ｅとが接する面の形状は任意であるが、例えば図３(b)に示すようにそれぞれ球面で構成することで、滑らかに傾斜姿勢を変化させて傾斜を参照面可動軸受１０４ｃに確実に伝達することができる。

傾斜調整ユニット１０４ｆは、円筒状の本体１０４ｆ１と、円筒の外部から内部に貫通している突起部を有し突起部の円筒内部への突出度合を変化させることが可能な傾斜調整ツマミ１０４ｆ２を備える。傾斜調整ツマミ１０２ｆ２は、調整のしやすさの観点から複数あることが望ましい。構成例を図４に示す。傾斜調整ユニット１０４ｆは、円筒状の本体１０４ｆ１が可動軸受１０４ｅを取り囲むように設けられる。この状態で傾斜調整ツマミ１０４ｆ２を調整して突起部を突出させると突起部の先端が可動軸受１０４ｅの外壁に押し付けられる。この押し付け力によって可動軸受１０４ｅの傾斜姿勢を変化させることができる。このとき、可動軸受１０４ｅの外壁を例えば球面状に構成しておくと、よりスムーズに傾斜角度を変化させることができる。

ロック機構１０４ｇは、固定ピン１０４ｇ１と固定ネジ１０４ｇ２を備える。固定ピン１０４ｇ１は軸１０４ｄの側面に開けられた穴を貫通して設けられる。固定ネジ１０４ｇ２は、軸１０４ｄの軸方向に設けられたネジ穴内に配置される。固定ネジ１０４ｇをねじ込むことにより固定ピン１０４ｇ１は可動軸受１０４ｅに作用し、可動軸受１０４ｅが固定軸受１０４ｂに押し付けられ、可動軸受１０４ｅの傾斜姿勢が固定される。そして、軸１０４ｄを介して参照面可動軸受１０４ｃの傾斜姿勢が固定される結果、参照面１０４ａの傾斜角度も固定される。固定ネジ１０４ｇ２が緩められた状態において可動軸受１０４ｅの傾斜姿勢をスムーズに変化できるようにするために、スプリング１０４ｇ３とワッシャ１０４ｇ４を設け、２つの可動軸受に適切な与圧が掛けられるようにしてもよい。
なお、ここではロック機構１０４ｇを固定ピン１０４ｇ１と固定ネジ１０４ｇ２とで実現する構成を例示したが、ピンの代わりにディスク状のものを用いてもよいし、ネジを締め込む代わりにバネの力で予め固定状態にしておき、他の部材を用いて梃子を構成して、この梃子を作用させた時に固定が解除されるような構成にしてもよい。

以上の構成によれば、参照面の傾斜角度を調整し、調整した角度を固定することができるため、調整を済ませた参照面ユニットを予め用意しておくことで、必要時に速やかに交換して迅速に測定を行うことができる。また、測定中に調整状態が変化することを防ぐことができる。更に、着脱可能な傾斜調整ユニットを使用する場合にその着脱時に調整状態が変化することが防ぐことができる。

干渉計測においてコントラストの高い白色干渉縞を得るためには、参照面の傾斜を調整できることに加え、参照光路長を調整できることが望ましい。図３〜５に例示した参照面ユニット１０４の構成は、本実施形態についてここまで説明した参照面の傾斜角度の調整機構全体（以下、「参照面調整ユニット」という。）を、参照光路長を調整可能とするために光軸方向にスライド可能とする構成を含むため、この構成をあわせて説明する。
参照面ユニット１０４は、更に、ハウジング１０４ｈ、調整ネジ１０４ｉ、駆動ピン１０４ｊ、及びスプリング１０４ｋを備える。ハウジング１０４ｈは例えば光軸を中心軸とした円筒状の部材であり、この円筒内に参照面調整ユニットが挿入される。そのため、参照面調整ユニットが円筒内をスライドすることで、参照面調整ユニットの先端に位置する参照面１０４ａを光軸方向にスライドさせることができる。調整ネジ１０４ｉは、ハウジング１０４ｈと参照面調整ユニットとの境界部分外周に設けられる例えば円筒状の部材である。調整ネジ１０４ｉは、内壁にフランジ状の突起部を有し、ハウジング１０４ｈにねじ込めるように構成されている。駆動ピン１０４ｊは、調整ネジ１０４ｉをハウジング１０４ｈにねじ込む際にフランジ状の突起部に引っかかるように固定軸受１０４ｂから突起して設けられる。このように構成することで、調整ネジ１０４ｉをハウジング１０４ｈにねじ込んでいくと、フランジ上の突起部が駆動ピン１０４ｊに当たり、これにより参照面調整ユニットを光軸方向（参照光路長が短くなる向き）にスライドさせることができる。更に、参照面調整ユニットをハウジング１０４ｈ内に押し込むことにより縮められるスプリング１０４ｋをハウジング１０４ｈ内に設けておくことで、調整ネジ１０４ｉを逆に回すとバネの反発力により参照面調整ユニットを光軸方向（参照光路長が長くなる向き）にスライドさせることができる。

＜第３実施形態＞
第２実施形態の構成において、参照面ユニット１０４から傾斜調整ユニット１０４ｆを着脱可能とする構成である。図７は傾斜調整ユニット１０４ｆが装着された状態、図８は取り外された状態を示したものである。

図７、８の例は、傾斜調整ユニット１０４ｆにキャップ１０４ｍをし、キャップ１０４ｍをキャップネジ１０４ｎでネジ止めすることにより、傾斜調整ユニット１０４ｆを参照面ユニット１０４に容易に固定し、取り外すことを可能とした構成であるが、着脱・固定を可能とする構成はこの構成に限られず任意である。例えば、傾斜調整ユニット１０４ｆ自体に着脱及び固定のためのネジやロック機構を持たせることにより着脱・固定を実現してもよい。

傾斜調整ユニット１０４ｆを着脱可能とする場合、装着された際に傾斜調整ユニット１０４ｆが傾斜調整ツマミ１０４ｆ２の操作時にも参照面ユニット１０４にしっかり固定されることが望ましい。そこで、例えば傾斜調整ユニット１０４ｆに、図４に示すように両端に爪が形成された戻しバネ１０４ｆ３を設けるとともに、可動軸受１０４ｅに図９に示すような切欠き部１０４ｅ１を設け、ここに戻しバネ１０４ｆ３の爪の位置を合わせて傾斜調整ユニット１０４ｆを装着するように構成するとよい。このように構成することで、傾斜調整ユニット１０４ｆが参照面ユニット１０４にしっかり固定され、調整時の動作を確実にすることができる。

参照面１０４ａを任意の傾斜角度で固定した状態で、傾斜調整ユニット１０４ｆを取り外し、キャップ１０４ｍの代わりにダストカバー１０４ｐを装着した状態で使用することも可能である。図１０(a)に装着前の状態、(b)に装着後の状態を示す。これにより、干渉対物レンズの光軸や、その他の特定の位置に対して任意の角度で参照面を固定して比較測定等を行う場合に、不用意な参照面のずれを防ぐことが可能となる。また、参照面１０４ａを第２実施形態で説明したように光軸方向にスライド可能に構成している場合、ダストカバー１０４ｐを装着した状態で調整ネジ１０４ｉを操作可能であるため、調整ネジ１０４ｉにメモリを付加しておくことで、被測定物上の段差量等を簡便に測定することも可能である。

傾斜調整ユニット１０４ｆが取り外せることにより、手動で傾斜量を調整する部材のほか、ＰＺＴやその他のアクチュエータが内蔵され数値制御が可能な自動調整部材を使用することが可能となる。図１１に、図６に示す手動の傾斜調整ユニット１０４ｆの代わりに自動の傾斜調整ユニット１０４ｑを装着した一例を示す。このように自動調整部材を利用することで、干渉対物レンズが数値制御された画像測定機に用いられる場合においても、参照面の傾斜の調整をＰＣから制御することが可能となる。また同様にして、顕微鏡に代表される手動の測定システムにおいては、他の調整機構を持つ傾斜調整ユニットや、租微動を組み合わせた傾斜調整機構等と適宜交換して使用することが可能となる。

＜第４実施形態＞
本発明の干渉対物レンズは、参照面の交換が可能であるため、参照面の反射率、並びに形成される任意形状、段差、及び形状パターンの少なくとも１つが互いに異なる複数の参照面ユニットを備える参照面ユニットセットを用意しておくことで、被測定面の性状に応じた適切な参照面に逐次交換して、精度よく、かつ効率的に測定を行うことができる。また、参照面ユニットセットを用意する際には、複数の参照面ユニットの参照面の傾斜角度の調整を予め済ませておくと、より効率的に測定を行うことができる。

本発明の干渉対物レンズの構成は、本発明において表現されている技術的思想の範囲内で適宜変更が可能であり、その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含む。

１００、１００ａ…干渉対物レンズ
１０１…対物レンズ
１０２…分割合成部材
１０３…本体
１０４…参照面ユニット
１０４ａ…参照面
１０４ｂ…固定軸受
１０４ｃ…参照面可動軸受
１０４ｄ…軸
１０４ｅ…可動軸受
１０４ｅ１…切欠き部
１０４ｆ、１０４ｑ…傾斜調整ユニット
１０４ｆ１…本体
１０４ｆ２…傾斜調整ツマミ
１０４ｆ３…戻しバネ
１０４ｇ…ロック機構
１０４ｇ１…固定ピン
１０４ｇ２…固定ネジ
１０４ｇ３…スプリング
１０４ｇ４…ワッシャ
１０４ｈ…ハウジング
１０４ｉ…調整ネジ
１０４ｊ…駆動ピン
１０４ｋ…スプリング
１０４ｍ…キャップ
１０４ｎ…キャップネジ
１０４ｐ…ダストカバー
１０５…参照面ユニット固定ネジ
２００…参照平面軸受ユニット

Claims

光源から出力された光を被測定物に向けて収束させる対物レンズと、
参照面を備える参照面ユニットと、
前記対物レンズを透過してきた光を、前記参照面に向かう参照光路と前記被測定物に向かう測定光路とに分岐させると共に、前記参照面からの反射光と前記被測定物からの反射光とを合成して干渉光として出力する分割合成部材と、
を備える干渉対物レンズにおいて、
前記参照面ユニットは、交換可能であることを特徴とする干渉対物レンズ。
前記参照面ユニットは、着脱自在に装着されていることを特徴とする請求項１に記載の干渉対物レンズ。
前記参照面ユニットの参照面は、平面以外の任意形状、段差、又は形状パターンとして形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の干渉対物レンズ。
前記任意形状は、前記被測定物の表面形状に対応した形状であることを特徴とする請求項３に記載の干渉対物レンズ。
前記参照面ユニットは、
前記参照面の傾斜角度を調整可能に構成され、
前記傾斜角度を任意の角度で固定するためのロック機構を備える
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の干渉対物レンズ。
前記参照面の傾斜角度を、前記参照面ユニットに着脱可能な傾斜調整ユニットを用いて調整可能であることを特徴とする請求項５に記載の干渉対物レンズ。
前記参照面の反射率、並びに形成される形状、段差、及び形状パターンの少なくとも１つが互いに異なる複数の、請求項１から６のいずれか１項に記載の前記参照面ユニットを備える参照面ユニットセット。
複数の前記参照面ユニットの前記参照面の傾斜角度がそれぞれ調整済であることを特徴とする請求項７に記載の参照面ユニットセット。