微小高さ測定方法及びそれに用いる微小高さ測定装置並びに変位ユニット
【課題】 被測定物上の測定点を任意に選択可能として被測定物上の測定点の高さを高速で測定する。
【解決手段】 対物レンズ3の焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、光源2からの光ビームが被測定物1方向に反射するように傾く複数のマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)をマトリクス状に配列した測定点選択手段4と、被測定物1上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を測定点選択手段4を介して検出する光検出手段5と、被測定物1を対物レンズ3に対してその光軸方向に相対的に変位させてその変位量を検出する変位手段6と、測定点選択手段4の各マイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)を個別に駆動すると共に、光検出手段5で検出された光の輝度及び変位手段6で検出された被測定物1の変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物1の高さとして求める制御手段7とを備えたものである。
【解決手段】 対物レンズ3の焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、光源2からの光ビームが被測定物1方向に反射するように傾く複数のマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)をマトリクス状に配列した測定点選択手段4と、被測定物1上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を測定点選択手段4を介して検出する光検出手段5と、被測定物1を対物レンズ3に対してその光軸方向に相対的に変位させてその変位量を検出する変位手段6と、測定点選択手段4の各マイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)を個別に駆動すると共に、光検出手段5で検出された光の輝度及び変位手段6で検出された被測定物1の変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物1の高さとして求める制御手段7とを備えたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、被測定物の微小高さを測定する微小高さ測定方法に関し、詳しくは、被測定物上の測定点を任意に選択可能として測定点の高さを高速で測定しようとする微小高さ測定方法及びそれに用いる微小高さ測定装置並びに変位ユニットに係るものである。
【背景技術】
【0002】
従来のこの種の微小高さ測定装置は、光源であるレーザ発振器と、被測定物をレーザビームで走査するためのレーザビーム偏向部と、走査されるレーザビームを被測定物に集光する対物レンズと、被測定物からの反射光を二つの光路に分岐する光学系と、分岐された各々の光路における反射光の結像位置付近に配置した光学的に大きさの異なる二つの開口と、各開口を通過した反射光をそれぞれ検出する光検出器と、この光検出器の出力信号から被測定物の高さを算出する処理部とを備え、小さな開口を配置した光路から得られた反射光の高さに依存する測定値を、大きな開口を配置した光路から得られた反射光の絶対量値で除算して被測定物の高さを求め、これを予め計算・記憶しておいた高さ換算表と照らし合わせることにより、計算結果に応じた高さを得るようになっている(特許文献1参照)。
【0003】
しかし、上記微小高さ測定装置は、レーザビームをガルバノミラー等を用いて走査するため、走査スピードに限界があり、また走査ビームの揺らぎ現象の問題があった。
【0004】
そこで、このような問題に対処するために、他の装置は、多数のマイクロレンズをアレイ状に配列したマイクロレンズディスクと、該マイクロレンズディスクと同一の回転軸により一体的に回転するようにされ、上記マイクロレンズディスクの各マイクロレンズの焦点位置にピンホールを形成したピンホールディスクと、上記マイクロレンズディスクのマイクロレンズ及びピンホールディスクのピンホールを通過した光ビームを被測定物上に集光させる対物レンズと、該対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され被測定物からの反射・散乱光を検出する光検出器と、上記マイクロレンズディスクとピンホールディスクとの間に配設され被測定物からの反射・散乱光を上記光検出器側に反射する光分岐手段と、該反射光を上記光検出器の検出面上に集光するリレーレンズとを備えている(特許文献2参照)。
【0005】
上記他の装置は、このような構成により、レーザビームをマイクロレンズディスクに配置された各マイクロレンズにより個別の光束として集光し、光分岐手段を透過後、ピンホールディスクに設けられた個々のピンホールを通過させ、対物レンズにより被測定物上に集光させる。そして、被測定物から発生した反射・散乱光を再び対物レンズによりピンホールディスクの個々のピンホール上に集光させ、個々のピンホールを通過後、上記光分岐手段により反射してリレーレンズにより光検出手段上に集光させる。これにより、マイクロレンズディスクとピンホールディスクとを一体的に回転してレーザビームを観察領域全体に高速走査することができる。
【特許文献1】特開平07−128025号公報
【特許文献2】特開2004−340663号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、このような従来の微小高さ測定装置においては、いずれも光ビームの走査を機械的に行うものであったので、光ビームの走査速度には限界があり、高速測定が困難であった。また、観察領域全体をレーザビームで走査して被測定物の高さを測定するものであったので、任意の測定点を選択して測定することができず、被測定物上の任意の点の高さを高速度で測定することができなかった。
【0007】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、被測定物上の測定点を任意に選択可能として測定点の高さを高速で測定しようとする微小高さ測定方法及びそれに用いる微小高さ測定装置並びに変位ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために、第1の発明による微小高さ測定方法は、光ビームを被測定物上に集光する対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段の当該マイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを傾けて光源からの光ビームを被測定物方向に反射させ、前記少なくとも一のマイクロミラーで反射された光ビームを前記対物レンズにより被測定物上に集光し、該被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段の前記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出し、前記被測定物を前記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させてその変位量を検出し、前記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出された光の輝度及び前記検出された変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求めるものである。
【0009】
そして、前記測定点選択手段は、複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動するものである。これにより、測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動する。
【0010】
また、第2の発明による微小高さ測定装置は、光ビームを照射する光源と、前記光源からの光ビームを被測定物上に集光する対物レンズと、該対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、前記光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、前記被測定物を前記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させると共にその変位量を検出して出力する変位手段と、前記測定点選択手段の各マイクロミラーを個別に駆動制御し、前記変位手段の変位を制御すると共に、前記光検出手段で検出された光の輝度及び前記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める制御手段と、を備えたものである。
【0011】
このような構成により、光源から光ビームを照射し、制御手段で対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置された測定点選択手段のマトリクス状に配列された複数のマイクロミラーを個別に駆動制御して、上記光源からの光ビームを被測定物方向に反射するように傾け、対物レンズにより上記マイクロミラーで反射された光ビームを被測定物上に集光し、光検出手段で被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段を介して検出し、制御手段で変位手段の変位を制御し、変位手段で被測定物を上記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させてその変位量を検出して出力し、制御手段により上記光検出手段で検出された光の輝度及び上記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める。
【0012】
また、第3の発明による微小高さ測定装置は、被測定物に照射する光ビームを発生する光源と、該光源からの光ビームが前記被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、前記測定点選択手段を前記被測定物への光ビームの照射方向に変位させる変位手段と、該変位手段の変位を制御すると共に前記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路とを有する変位計ユニットと、前記変位計ユニットの光源からの光ビームを前記被測定物上に集光する対物レンズと、前記変位計ユニットの測定点選択手段の各マイクロミラーを個別に駆動制御すると共に、前記変位計ユニットから出力された変位量及び光の輝度のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める制御手段と、を備えたものである。
【0013】
このような構成により、変位計ユニットの光源で光ビームを発生し、測定点選択手段のマトリクス状に配列された複数のマイクロミラーを制御手段で個別に駆動制御して上記光源からの光ビームを被測定物方向に反射するように傾け、上記対物レンズにより上記マイクロミラーで反射された光ビームを被測定物上に集光し、変位計制御回路で変位手段の変位を制御し、該変位手段で少なくとも上記測定点選択手段を被測定物への光ビームの照射方向に変位させ、光検出手段で被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段を介して検出し、変位計制御回路で上記測定点選択手段の変位量及び上記光検出手段により検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力し、制御手段で該データに基づいて最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める。
【0014】
また、前記制御手段は、前記測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動させるものである。これにより、制御手段で測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動させる。
【0015】
さらに、前記光検出手段は、前記光源と前記測定点選択手段との間の光路上に配設されて、前記測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光するものである。これにより、光源と測定点選択手段との間の光路上に配設されて、測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段で測定点選択手段からの光を反射し、それを光検出手段で受光する。
【0016】
さらにまた、前記光検出手段は、光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能としたものである。これにより、光電子増倍管若しくは撮像素子で被測定物からの反射及び散乱光を検出し、又はその両者を組み合わせたものでそれぞれ切り換えて被測定物からの反射及び散乱光を検出する。
【0017】
そして、前記光源は、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能としたものである。これにより、レーザ光源若しくは白色光源で照射し、またはその両者を組み合わせたもの、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせたものでそれぞれ切り換えて照射する。
【0018】
また、第4の発明による変位計ユニットは、被測定物に照射する光ビームを発生する光源と、該光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、前記測定点選択手段を前記被測定物への光ビームの照射方向に変位させる変位手段と、該変位手段の変位を制御すると共に、前記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路と、を備えたものである。
【0019】
このような構成により、光源で光ビームを発生し、個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段で光源からの光ビームが被測定物方向に反射し、光検出手段で上記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段を介して検出し、変位手段で少なくとも上記測定点選択手段を上記被測定物への光ビームの照射方向に変位させ、変位計制御回路で上記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する。
【0020】
さらに、前記光検出手段は、前記光源と前記測定点選択手段との間の光路上に配設されて、前記測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光するものである。これにより、光源と測定点選択手段との間の光路上に配設された光分岐手段で測定点選択手段からの光路を二つに分岐し、光検出手段で光分岐手段により反射された光を受光する。
【0021】
さらにまた、前記光検出手段は、光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能としたものである。これにより、光電子増倍管若しくは撮像素子で被測定物からの反射及び散乱光を検出し、又はその両者を組み合わせたものでそれぞれ切り換えて被測定物からの反射及び散乱光を検出する。
【0022】
そして、前記光源は、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能としたものである。これにより、レーザ光源若しくは白色光源で照射し、またはその両者を組み合わせたもの、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせたものでそれぞれ切り換えて照射する。
【発明の効果】
【0023】
請求項1又は3に係る発明によれば、光ビームを被測定物上に集光する対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置された測定点選択手段のマトリクス状に配列された複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを傾けて光源からの光ビームを被測定物方向に反射すると共に、該被測定物の測定点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段の少なくとも一のマイクロミラーを介して検出するようにしたことにより、測定点を任意に選択することができ、被測定物上の測定点の高さを高速で測定することができる。したがって、例えば、液晶表示パネルのセルギャップ中の異物の高さを高速で検査することができる。
【0024】
また、請求項2又は5に係る発明によれば、測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動するものとしたことにより、所望の測定点及び測定点数を任意に選択することができる。したがって、被測定物上の任意の測定点の高さを高速度で測定することができる。
【0025】
さらに、請求項4に係る発明によれば、光源と、測定点選択手段と、光検出手段と、変位手段と、変位計制御回路とを有して変位計ユニットを構成し、該変位計ユニットの測定点選択手段を被測定物への光ビームの照射方向に変位させるものとしたことにより、測定点選択手段の変位量が対物レンズの倍率に応じて拡大されて、対物レンズの光軸方向に被測定物を相対的に変位させる場合よりも微小高さの測定精度を向上することができる。また、測定精度を上記被測定物を相対的に変位させる場合と同じにしたときには、測定点選択手段の変位量の測定をラフに行うことができる。したがって、この場合、変位量を測定するための例えばエンコーダやリニアスケール等の特別なセンサーを必要とせず、変位手段の駆動パルス数をカウントして変位量を測定することができ変位手段の構成が簡単となる。さらに、対物レンズの焦点を被測定物上に合わせた状態で各測定点における微小高さを測定することができるので、測定点を容易に指定することができる。
【0026】
さらに、請求項6又は10に係る発明によれば、光源と測定点選択手段との間の光路上に配設されて、測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光するものとしたことにより、光源から発射された光と干渉することなく測定点選択手段からの光を受光することができる。
【0027】
さらにまた、請求項7又は11に係る発明によれば、光検出手段を光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能なものとしたことにより、光電子増倍管を使用した場合には検出感度が高いため光検出精度が向上し、微小高さの測定精度を向上することができる。また、撮像素子を使用した場合には複数の測定点の高さ測定を同時に行うことができ、微小高さの測定をより高速で行うことができる。さらに、両者を組み合わせてそれぞれ切替可能とすれば、目的に応じて適宜切り換えて使用することができ、利便性が拡大する。
【0028】
そして、請求項8又は12に係る発明によれば、光源を、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能なものとしたことにより、複数の波長のレーザ光源を使用する場合には、被測定物の測定点の下地の色に応じてレーザ光源の波長を選択することができ、光検出をより高感度で行うことができる。また、白色光源を使用したと場合には、被測定物の測定点の下地の色に影響されることなく光検出を高感度で行うことができる。
【0029】
また、請求項9に係る発明によれば、複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段の該複数のマイクロミラーを個別に傾けて光源からの光ビームを被測定物方向に反射し、被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を検出すると共に、上記測定点選択手段を被測定物への光ビームの照射方向に変位させ、測定点選択手段の変位量及び上記検出光の輝度のデータを互いに関連づけて出力するものとしたことにより、既存の顕微鏡に取り付けて微小高さ測定装置を容易に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0030】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明による微小高さ測定装置の第1の実施形態を示す概念図である。この微小高さ測定装置は、共焦点光学系を用いて被測定物1の高さを測定するもので、光源2と、対物レンズ3と、測定点選択手段4と、光検出手段5と、変位手段6と、制御手段7とからなり、例えば液晶表示パネルのセルギャップの検査を高速で行おうとするものである。
【0031】
上記光源2は、光ビームを発射するものであり、例えばレーザ発振器である。
上記被測定物1と対向して対物レンズ3が設けられている。この対物レンズ3は、上記光源2からの光ビームを被測定物1上に集光するものである。
【0032】
上記対物レンズ3の焦点位置と光学的に共役の関係に測定点選択手段4が配置されている。この測定点選択手段4は、被測定物1上の側定点を任意に選択するものであり、光源2からの光ビームが被測定物1方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)をマトリクス状に配列したものである。このマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)のサイズは、例えば16μm角程度に形成することが可能であり、該マイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)でそれと略同サイズのスポット光を生成することができる。
【0033】
なお、上記対物レンズ3と測定点選択手段4との間には、結像レンズ8が対物レンズ3の光軸に一致させて設けられており、対物レンズ3によって被測定物1上に生成された光ビームのビームスポットの像を上記マイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)上に結像させるようになっている。そして、上記対物レンズ3と、測定点選択手段4と、結像レンズ8とで共焦点光学系9を構成している。
【0034】
上記光源2と測定点選択手段4との間には、光検出手段5が設けられている。この光検出手段5は、上記被測定物1上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段4を介して光電変換して検出するものであり、例えば光電子増倍管(Photo Multiplier Tube:PMT)である。そして、光検出手段5は、上記光源2と測定点選択手段4との間の光路上に配設されて、上記測定点選択手段4からの光路を二つに分岐する光分岐手段11例えばハーフミラー等により反射された測定点選択手段4からの光を、光源2から発射される光ビームと干渉することなく受光できるようになっている。なお、上記光検出手段5は、光を光電変換して検出することができるものであれば上記PMTに限られない。
【0035】
上記共焦点光学系9には、変位手段6が設けられている。この変位手段6は、共焦点光学系9をその光軸方向に変位させるものであり、図示省略のモータと位置検出センサーとを備え、後述の制御手段7からの制御信号に基づいて上記モータを駆動して共焦点光学系9をその光軸方向(図1において矢印A,Bで示す方向)に変位させ、予め設定した基準位置からの変位量を上記位置検出センサーで検出してその検出信号を制御手段7に送るようになっている。
【0036】
上記測定点選択手段4、光検出手段5及び変位手段6に接続して制御手段7が設けられている。この制御手段7は、図2に示すように、上記測定点選択手段4の複数のマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)のうちから一つを任意に選択して駆動すると共に、上記光検出手段5で検出された光の輝度及び上記共焦点光学系9の変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物1の測定点における高さとして求めるものであり、制御及び処理部12と、A/D変換部13と、メモリ14と、ホームコンピュータ(以下、「制御用PC」と記載する)15とを備えている。
【0037】
上記制御及び処理部12は、外部に接続して備えた制御用PC15により、予め指定された各測定点に対応するマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)のアドレス情報を測定点選択手段4に送って、該アドレス情報により指定されたアドレスのマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)を駆動する。また、上記制御用PC15により予め指定されたサンプリング間隔及びサンプリング回数並びに変位速度に関する指令信号を変位手段6に送り、共焦点光学系9を該指令信号で定められる最大変位量だけ所定の速度で変位させる。さらに、上記サンプリング間隔のタイミングで上記サンプリング回数だけA/D変換部13を起動する変換タイミング信号を上記A/D変換部13に出力すると共に、上記A/D変換部13から上記タイミングで取得する輝度データと上記変位手段6から上記タイミングで入力する位置検出センサーの検出信号に基づいて生成される変位量データとを関連付けて上記メモリ14に書き込む。そして、上記メモリ14から読み出した各測定点の全ての輝度データとそれに関連付けられた変位量データとを制御用PC15に出力する。
【0038】
上記A/D変換部13は、上記光検出手段5から入力したアナログ信号をデジタルデータに変換するものであり、上記制御及び処理部12から入力する変換タイミング信号に基づいて所定のタイミングでデジタル変換するようになっている。また、上記メモリ14は、輝度データと変位量データとを関連付けて記憶するものであり、例えばRAMである。そして、制御用PC15は、オペレータが各測定点に対応するマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)のアドレス情報や、共焦点光学系9の変位速度及びサンプリング間隔並びにサンプリング回数等の各種パラメータを入力することを可能とすると共に、制御及び処理部12から互いに関連付けて出力された光の輝度及び変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を各測定点における被測定物1の高さとして求めるものであり、その結果を表示部15aに表示させるようになっている。
【0039】
次に、このように構成された微小高さ測定装置の動作及びそれを用いて実施する微小高さ測定方法について図3を参照して説明する。
先ず、ステップS1においては、制御手段7の制御及び処理部12は、オペレータが予め入力して指定した各測定点に対応するマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)のアドレス情報や、共焦点光学系9の変位速度及び変位量データを取得するためのサンプリング間隔並びにそのサンプリング回数等の各種パラメータを制御用PC15から入力する。なお、上記各測定点の座標位置が予め測定されている場合には、そのデータを保存したファイルから制御用PC15に取り込んで自動的に設定してもよい。
【0040】
ステップS2においては、上記入力した各種パラメータを処理して各マイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)の駆動順番K=1〜kを設定し、該設定された順番Kに従って駆動するマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)のアドレス情報を測定点選択手段4に順次送る。
【0041】
ステップS3においては、上記測定点選択手段4は、先ずK=1番に設定されたマイクロミラー10(1,i)(図1参照)を駆動して光源2から発射された光ビームを被測定物1側に反射する。上記マイクロミラー10(1,i)で反射された光ビームは、結像レンズ8及び対物レンズ3を通って被測定物1上の選択された第1の測定点に集光する。なお、この場合、他のマイクロミラーで反射される光ビームは、被測定物1とは異なる方向に向くようにされているので、これらの光ビームが被測定物1に集光することはない。
【0042】
上記被測定物1上の第1の測定点で発生した光ビームの反射及び散乱光は、対物レンズ3を通って結像レンズ8により上記マイクロミラー10(1,i)に集光する。そして、上記反射及び散乱光は、該マイクロミラー10(1,i)で光源2側に反射されて光分岐手段11に入射し、該光分岐手段11で光源2とは異なる方向に反射されて光検出手段5に入射する。
【0043】
ステップS4においては、上記光検出手段5で受光した光強度のアナログ信号を制御手段7のA/D変換部13でデジタルの輝度データに変換する。この場合、A/D変換部13では、上記制御用PC15から入力した各種パラメータのうちサンプリング間隔及びサンプリング回数のデータに基づいて制御及び処理部12で生成された変換タイミング信号により所定のタイミングで所定回数だけデジタル変換が行われる。
【0044】
同時に、制御及び処理部12は、制御用PC15から入力したサンプリング間隔及びサンプリング回数並びに変位速度に関する指令信号を変位手段6に送り、変位手段6のモータを駆動して共焦点光学系9を該指令信号で定められる変位量だけ所定の速度で図1に示す矢印A又はB方向に変位させる。
【0045】
ステップS5においては、制御及び処理部12は、A/D変換部13から所定のタイミングでデジタル変換された輝度データを順次入力する。また、同時に、変位手段6の位置検出センサーから上記タイミングに同期して順次入力される検出信号に基づいて共焦点光学系9の変位量データを生成する。
【0046】
この場合、被測定物1の測定点の位置が共焦点光学系9の対物レンズ3の焦点位置と一致しているときには、上記焦点位置からの反射光の略全てがマイクロミラー10(1,i)の反射面に集光して反射され、その結果、光検出手段5で検出される輝度値(光強度)は高くなる。一方、被測定物1の測定点の位置が上記対物レンズ3の焦点位置からずれているときには、測定点におけるビームスポットがぼけて大きくなり、そのビームスポットのマイクロミラー10(1,i)上に結像される像の大きさは、マイクロミラー10(1,i)のサイズよりも大きくなる。したがって、マイクロミラー10(1,i)の反射面で反射される光量が減って光検出手段5で検出される輝度値(光強度)は低下する。そして、測定点の上記焦点位置からのずれ量が大きくなるほど輝度値(光強度)はより低下する。
【0047】
ステップS6においては、制御及び処理部12は、各タイミング毎に得られた上記輝度データと変位量データとを第1の測定点の情報として互に関連付けてメモリ14に書き込む。
【0048】
ステップS7においては、K=kか否かを制御及び処理部12で判定する。ここで、“NO”判定となるとステップS3に戻ってK=2番に設定されたマイクロミラー10(1,i+1)の駆動に切り換え、上記ステップS4〜S6を実行する。そして、被測定物1の第2の測定点における輝度データと変位量データとを得て、それらを互いに関連づけてメモリ14に書き込む。
【0049】
一方、ステップS7において、“YES”判定となると全ての測定点に対する測定データの取り込みが終了し、ステップS8に進んで制御及び処理部12は、メモリ14から各測定点の輝度データと変位量データとを順次読み出し、各測定点における輝度値が最大となる変位量を被測定物1上の各測定点の高さとして定め、その結果を制御用PC15の表示部15aに表示する。
【0050】
なお、上記実施形態においては、共焦点光学系9を変位させる場合について説明したが、これに限られず、被測定物1側を対物レンズ3の光軸方向に変位させてもよい。
【0051】
図4は、本発明による微小高さ測定装置の第2の実施形態を示す正面図である。この微小高さ測定装置は、被測定物1と対向して配設され、光ビームを被測定物1上に集光する対物レンズ3と、該対物レンズ3に対して上記被測定物1と反対側に配設されており、図5に示すように光ビームを照射する光源2と、光源2からの光ビームが被測定物1方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段4と、上記被測定物1上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を測定点選択手段4を介して検出する光検出手段5と、少なくとも上記測定点選択手段4を上記対物レンズ3と切り離して被測定物1への光ビームの照射方向に変位させる変位手段6と、該変位手段6の変位を制御すると共に測定点選択手段4の変位量及び光検出手段5で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路16とを有する変位計ユニット17と、該変位計ユニット17の測定点選択手段4の各マイクロミラーを個別に駆動制御し、上記変位手段6の変位を制御すると共に、上記変位計ユニット17から出力された変位量及び光の輝度のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める例えばホストコンピュータからなる制御手段18と、を備えたものである。
【0052】
そして、上記対物レンズ3と、被測定物1の像を上記測定点選択手段4のミラー面に結像する結像レンズ8とを鏡筒19内に備えて顕微鏡を構成している。なお、図5において、符号19は変位手段6を駆動するモータドライバであり、符号20はモータドライバ19を制御するモータコントローラであり、符号21は、光ビームを反射する反射ミラーであり、符号22は測定点選択手段4で反射される不要光を吸収する光吸収器である。
【0053】
以下、上記第2実施形態の動作及びそれを用いて行う微小高さ測定方法を、図6を参照して詳細に説明する。なお、図6は、測定点をマニュアル設定して行う場合について示している。
先ず、図6に示すステップS11において、対物レンズ3を介して取得した被測定物1上の像を上記顕微鏡の鏡筒19に取り付けられた図示省略のオートフォーカス用カメラで撮像して対物レンズ3の焦点を被測定物1上に合わせる。
【0054】
ステップS12においては、オペレータがホストコンピュータからなる制御手段18に予め入力して設定した変位計ユニット17の変位速度及び変位量データを取得するためのサンプリング間隔並びにそのサンプリング回数等の各種パラメータを変位計ユニット17に入力してメモリ11に保存する。
【0055】
ステップS13においては、予め測定して制御手段18に保存された測定点の座標位置のうち、第1番目の測定点の座標データに基づいて例えば顕微鏡をXY軸方向に移動し、第1番目の測定点を上記対物レンズ3の視野内に設定する。この場合、対物レンズ3を介して取得した被測定物1上の像を上記顕微鏡の鏡筒19に取り付けられた図示省略の観察用カメラで撮像してこれを上記制御手段18の表示部に表示する。なお、顕微鏡の移動は、オペレータが表示部に表示された像を観察しながら手動で行ってもよい。また、移動するのは顕微鏡側ではなくて被測定物1側であってもよい。
【0056】
ここで、オペレータが表示部の画面上で制御手段18に備えるマウスのカーソル23を上記測定点の近傍部の平坦面を参照点として選択してマウスをクリックして確定し、さらに上記測定点にカーソル23を合わせてクリックして測定点を確定する。これにより、制御手段18から測定点選択手段4の上記参照点と測定点に対応するマイクロミラーを駆動するためのフレーム情報が作成されて変位計ユニット17に出力される。なお、測定点が接近していて、例えば図7(a)に示すように同一視野内に複数点、例えば二つの測定点が観察されたときには、マウスで先ず参照点として任意に選択した平坦な面上の点Rをクリックし、次に測定点の点P1をクリックし、さらに点P2をクリックにする。そして、上記フレーム情報は、制御及び処理部12を介して測定点選択手段4に送られ、そこに備える図示省略のメモリに一旦保存される。
【0057】
ステップS14において、変位計ユニット17の制御及び処理部12は、オートフォーカスや被測定面を観察するために点灯していた図示省略の照明用光源をOFFすると共に測定用の光源2、例えばレーザ光源をONする。
【0058】
ステップS15においては、上記フレーム情報に基づいて測定点選択手段4が駆動されて、上記参照点R及び測定点P1,P2に対応するマイクロミラーが光源2からの光ビームを被測定物1方向に反射するように傾けられる。
【0059】
ステップS16においては、制御及び処理部12は、変位計制御回路16のメモリ11に保存された各種パラメータから、変位計ユニット17を変位させるための速度データとサンプリング間隔のデータを読み出してモータコントローラ20に送る。モータコントローラ20は、上記各データに基づいてモータドライバ19をパルス制御して変位手段6を駆動し、変位計ユニット17を所定量だけ変位させる。
【0060】
変位計ユニット17が変位されると、制御及び処理部12で生成された変換タイミング信号がA/D変換部13に出力され、該A/D変換部13が所定時間だけ駆動されて指定された被測定物1の上記参照点R及び測定点P1,P2からの反射及び散乱されて光検出手段5で検出された光の輝度データを上記指定順番に取り込む。そして、この時の変位計ユニット17の変位量のデータ及び光検出手段5で検出された輝度データを互いに関連付けてメモリ11に保存する。
【0061】
ステップS17においては、予め設定されたサンプリング回数の測定が全て終了したか否かを制御及び処理部12で判定する。ここで、上記参照点R及び測定点P1,P2に対する測定が終了していないときには、“NO”判定となってステップS16に戻り、変位計ユニット17をさらに所定量変位して上記各点における新たな変位量及び輝度データを取得する。一方、上記参照点R及び測定点P1,P2に対する全ての測定が終了すると、“YES”判定となってステップS18に進む。なお、トータル変位量は、モータコントローラ20の1パルス当りの変位計ユニット17の移動量が予め分かっている場合にはパルス数をカウントして検出することができる。
【0062】
ステップS18においては、被測定物1上に設定された全ての測定点に対する高さ測定が終了したか否かを制御及び処理部12で判定する。ここで、まだ測定が終了していないときには、“NO”判定となってステップS19に進み、光源2をOFFすると共に証明用光源をONする。そして、ステップS16に戻り、顕微鏡を次の測定点に設定して上述と同様にして上記測定点の高さ測定を行う。一方、全ての測定点に対する測定が終了したときには、“YES”判定となってステップS20に進む。
【0063】
ステップS20においては、参照点及び各測定点における測定データをメモリ11から読み出して制御手段18に送る。制御手段18は、入力した参照点及び各測定点における測定データに基づいて各点の最大輝度値を示す変位量を各点における高さとして定める。そして、上記各測定点、例えば点P1,P2の高さを参照点Rの高さと比較して相対高さを算出し、図7(b)に示すように表示部に各測定点に対応してその高さの値を表示する。なお、表示方法は、上記方法に限られず、リスト表示等いかなる方法であってもよい。
【0064】
なお、上述したような測定点をマニュアル設定して測定する方法に限らず、測定点を自動設定して測定するようにしてもよい。この場合、図6のステップS13において、制御手段18で各測定点の測定順番を予め自動設定して保存しておく。次に、図8に示すように、例えば顕微鏡を移動して対物レンズ3の視野内に第1番目の測定点P1を引き込む。さらに、図示省力の観察用カメラによる取得画像を画像処理して画面中央と測定点P1との距離を測定し、同図(b)に示すように同寸法だけ顕微鏡を微動して上記測定点P1を対物レンズ3の光軸に合致させて測定点を設定する。また、同図(c)に示すように、測定点P1の近傍にて所定距離はなれた点を参照点として設定する。この場合、例えば予め測定して制御手段18に保存されている測定点P1の測定データのうちからそのサイズ情報を得て、所定方向にそのサイズの何倍かはなれた点を参照点Rとして設定するようにしてもよい。このようにして、測定点P1と参照点Rが設定されると、測定点P1に対応した測定点選択手段4のマイクロミラーであって、上記対物レンズ3の光軸と合致したマイクロミラー及び上記参照点Rに対応したマイクロミラーを駆動するためのフレーム情報を制御手段18で作成して変位計ユニット17に出力する。以下、ステップ14〜20を実行すれば、被測定物1上の各測定点の微小高さを測定することができる。
【0065】
また、上記第2の実施形態によれば、測定位置におけるプロファイルを測定することができる。その測定方法は、例えば図9(a)に示すように、先ず観察用カメラの取得画像により測定点P1の位置を確認し、マウスでプロファイルを測定する位置を指定してそれを画面上に表示する。次に、同図(b)に示すようにプロファイル測定位置に対応する測定点選択手段4のマイクロミラーを傾けて光ビームをプロファイル測定位置に照射して測定位置を確認した後、観察用の照明光源をOFFして変位計ユニット17を所定のステップで変位させながら上記測定位置上の各測定点おける反射及び散乱光の輝度を測定する。そして、各点における最大輝度値及び変位量データに基づいて各点の高さを算出し、同図(c)に示すように測定されたプロファイル情報を画面上に表示する。
【0066】
なお、以上の説明においては、光源2が一つレーザ光源の場合について述べたが、これに限られず、光源2は波長の異なる複数のレーザ光源又は白色光源であってもよく、それらを切換スイッチで切り換えて使用してもよい。被測定物の測定点における下地の色に応じてレーザ光源の波長又は白色光源を選択するとよい。レーザ光源は、輝度が高いため測定感度を向上することができ、白色光源は、被測定物の下地の色に影響されることなく測定することができる。
【0067】
また、光検出手段5はPMTに限らず、CCDやCMOSの撮像素子であってもよく、それらを切換スイッチで切り換えて使用してもよい。この場合、PMTは、一点ずつの測定に限られるが、光の検出感度が高いため測定精度を向上することができる。一方、撮像素子は検出感度が低いものの同時に多点の測定が可能であるため測定速度を向上することができる。
【0068】
さらに、光検出手段5としてCCDやCMOS等の二次元撮像素子を使用した場合には、被測定物の三次元形状を測定することができる。その測定方法は、図10(a)に示すような観察用カメラの観察範囲に対応して同図(b)に示すように測定点選択手段4のマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)が設けられているとき、図11(a)に黒く塗りつぶして示すようにマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)を例えば二枚おきに傾けて光源2からの光ビームを図5に実線で示すように被測定物1に向けて反射し、被測定物1からの反射及び散乱光を同じマイクロミラーで同図に破線で示すように反射し、二次元撮像素子からなる光検出手段5でその反射光を検出して二次元画像の輝度データを取得する。以下、図11(b)に拡大して示すようにマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)を、例えば同図に数字を付して示す順番に傾けて九枚の二次元画像を取得し、各二次元画像の輝度データを取得する。なお、他の部分のマイクロミラーも図11(b)に示す順番で傾けられる。
【0069】
次に、変位計ユニット17を所定方向に所定量変位させて、上述と同様にして九枚の二次元画像を取得して各二次元画像の輝度データを取得する。以下、これを繰り返して被測定物1の高さ方向の二次元画像の輝度データを全て取り終えると、各マイクロミラーに対応する被測定物1上の各測定点の最大輝度値を示す変位量を制御手段18で算出してそれを各測定点の高さとして求める。そして、その結果を制御手段18の表示部に表示させることにより、被測定物1の三次元形状を表すことができる。なお、被測定物1上の隣接する測定点からの反射及び散乱光がマイクロミラー上で干渉するのを避けるためには、同時に傾けるマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)は少なくとも一枚おきとするのがよく、好ましくはマイクロミラーが15μm×15μmの場合には、15μm×4(枚)=60μm以上離れているのがよい。これにより、光の干渉を回避して高さ測定を高精度に行うことができる。
【0070】
さらに、本発明の微小高さ測定装置においては、測定点選択手段4が複数のマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)をマトリクス状に配列したものである場合について説明したが、測定点選択手段4は透過型の液晶パネルであってもよい。この場合は、液晶パネルの各セルを個別に駆動して光を透過させて、測定点を任意に選択すればよい。
【図面の簡単な説明】
【0071】
【図1】本発明による微小高さ測定装置の実施形態を示す概念図である。
【図2】上記微小高さ測定装置の制御手段の構成を示すブロック図である。
【図3】本発明による微小高さ測定装置の動作及びそれを用いて実施する微小高さ測定方法について説明するフローチャートである。
【図4】本発明による微小高さ測定装置の第2の実施形態を示す正面図である。
【図5】上記第2の実施形態の変位計ユニットの構成を示すブロック図である。
【図6】上記第2の実施形態の動作及びそれを用いて測定点をマニュアル設定して行う微小高さ測定方法を説明するフローチャートである。
【図7】上記測定点をマニュアル設定する方法を示す説明図である。
【図8】上記測定点を自動設定する方法を示す説明図である。
【図9】指定した測定位置におけるプロファイルを測定する方法を示す説明図である。
【図10】観察用カメラによる被測定物上の撮像画像の例と、その観察範囲に対応して設けられた測定点選択手段のマイクロミラーの配列例を示す平面図である。
【図11】上記測定点選択手段において同時に傾けるマイクロミラーの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【0072】
1…被測定物
2…光源
3…対物レンズ
4…測定点選択手段
5…光検出手段
6…変位手段
7,18…制御手段
10(1,1)〜10(m,n),10(1,i)…マイクロミラー
11…光分岐手段
16…変位計制御回路
17…変位計ユニット
【技術分野】
【0001】
本発明は、被測定物の微小高さを測定する微小高さ測定方法に関し、詳しくは、被測定物上の測定点を任意に選択可能として測定点の高さを高速で測定しようとする微小高さ測定方法及びそれに用いる微小高さ測定装置並びに変位ユニットに係るものである。
【背景技術】
【0002】
従来のこの種の微小高さ測定装置は、光源であるレーザ発振器と、被測定物をレーザビームで走査するためのレーザビーム偏向部と、走査されるレーザビームを被測定物に集光する対物レンズと、被測定物からの反射光を二つの光路に分岐する光学系と、分岐された各々の光路における反射光の結像位置付近に配置した光学的に大きさの異なる二つの開口と、各開口を通過した反射光をそれぞれ検出する光検出器と、この光検出器の出力信号から被測定物の高さを算出する処理部とを備え、小さな開口を配置した光路から得られた反射光の高さに依存する測定値を、大きな開口を配置した光路から得られた反射光の絶対量値で除算して被測定物の高さを求め、これを予め計算・記憶しておいた高さ換算表と照らし合わせることにより、計算結果に応じた高さを得るようになっている(特許文献1参照)。
【0003】
しかし、上記微小高さ測定装置は、レーザビームをガルバノミラー等を用いて走査するため、走査スピードに限界があり、また走査ビームの揺らぎ現象の問題があった。
【0004】
そこで、このような問題に対処するために、他の装置は、多数のマイクロレンズをアレイ状に配列したマイクロレンズディスクと、該マイクロレンズディスクと同一の回転軸により一体的に回転するようにされ、上記マイクロレンズディスクの各マイクロレンズの焦点位置にピンホールを形成したピンホールディスクと、上記マイクロレンズディスクのマイクロレンズ及びピンホールディスクのピンホールを通過した光ビームを被測定物上に集光させる対物レンズと、該対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され被測定物からの反射・散乱光を検出する光検出器と、上記マイクロレンズディスクとピンホールディスクとの間に配設され被測定物からの反射・散乱光を上記光検出器側に反射する光分岐手段と、該反射光を上記光検出器の検出面上に集光するリレーレンズとを備えている(特許文献2参照)。
【0005】
上記他の装置は、このような構成により、レーザビームをマイクロレンズディスクに配置された各マイクロレンズにより個別の光束として集光し、光分岐手段を透過後、ピンホールディスクに設けられた個々のピンホールを通過させ、対物レンズにより被測定物上に集光させる。そして、被測定物から発生した反射・散乱光を再び対物レンズによりピンホールディスクの個々のピンホール上に集光させ、個々のピンホールを通過後、上記光分岐手段により反射してリレーレンズにより光検出手段上に集光させる。これにより、マイクロレンズディスクとピンホールディスクとを一体的に回転してレーザビームを観察領域全体に高速走査することができる。
【特許文献1】特開平07−128025号公報
【特許文献2】特開2004−340663号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、このような従来の微小高さ測定装置においては、いずれも光ビームの走査を機械的に行うものであったので、光ビームの走査速度には限界があり、高速測定が困難であった。また、観察領域全体をレーザビームで走査して被測定物の高さを測定するものであったので、任意の測定点を選択して測定することができず、被測定物上の任意の点の高さを高速度で測定することができなかった。
【0007】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、被測定物上の測定点を任意に選択可能として測定点の高さを高速で測定しようとする微小高さ測定方法及びそれに用いる微小高さ測定装置並びに変位ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために、第1の発明による微小高さ測定方法は、光ビームを被測定物上に集光する対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段の当該マイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを傾けて光源からの光ビームを被測定物方向に反射させ、前記少なくとも一のマイクロミラーで反射された光ビームを前記対物レンズにより被測定物上に集光し、該被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段の前記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出し、前記被測定物を前記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させてその変位量を検出し、前記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出された光の輝度及び前記検出された変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求めるものである。
【0009】
そして、前記測定点選択手段は、複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動するものである。これにより、測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動する。
【0010】
また、第2の発明による微小高さ測定装置は、光ビームを照射する光源と、前記光源からの光ビームを被測定物上に集光する対物レンズと、該対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、前記光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、前記被測定物を前記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させると共にその変位量を検出して出力する変位手段と、前記測定点選択手段の各マイクロミラーを個別に駆動制御し、前記変位手段の変位を制御すると共に、前記光検出手段で検出された光の輝度及び前記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める制御手段と、を備えたものである。
【0011】
このような構成により、光源から光ビームを照射し、制御手段で対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置された測定点選択手段のマトリクス状に配列された複数のマイクロミラーを個別に駆動制御して、上記光源からの光ビームを被測定物方向に反射するように傾け、対物レンズにより上記マイクロミラーで反射された光ビームを被測定物上に集光し、光検出手段で被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段を介して検出し、制御手段で変位手段の変位を制御し、変位手段で被測定物を上記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させてその変位量を検出して出力し、制御手段により上記光検出手段で検出された光の輝度及び上記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める。
【0012】
また、第3の発明による微小高さ測定装置は、被測定物に照射する光ビームを発生する光源と、該光源からの光ビームが前記被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、前記測定点選択手段を前記被測定物への光ビームの照射方向に変位させる変位手段と、該変位手段の変位を制御すると共に前記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路とを有する変位計ユニットと、前記変位計ユニットの光源からの光ビームを前記被測定物上に集光する対物レンズと、前記変位計ユニットの測定点選択手段の各マイクロミラーを個別に駆動制御すると共に、前記変位計ユニットから出力された変位量及び光の輝度のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める制御手段と、を備えたものである。
【0013】
このような構成により、変位計ユニットの光源で光ビームを発生し、測定点選択手段のマトリクス状に配列された複数のマイクロミラーを制御手段で個別に駆動制御して上記光源からの光ビームを被測定物方向に反射するように傾け、上記対物レンズにより上記マイクロミラーで反射された光ビームを被測定物上に集光し、変位計制御回路で変位手段の変位を制御し、該変位手段で少なくとも上記測定点選択手段を被測定物への光ビームの照射方向に変位させ、光検出手段で被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段を介して検出し、変位計制御回路で上記測定点選択手段の変位量及び上記光検出手段により検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力し、制御手段で該データに基づいて最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める。
【0014】
また、前記制御手段は、前記測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動させるものである。これにより、制御手段で測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動させる。
【0015】
さらに、前記光検出手段は、前記光源と前記測定点選択手段との間の光路上に配設されて、前記測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光するものである。これにより、光源と測定点選択手段との間の光路上に配設されて、測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段で測定点選択手段からの光を反射し、それを光検出手段で受光する。
【0016】
さらにまた、前記光検出手段は、光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能としたものである。これにより、光電子増倍管若しくは撮像素子で被測定物からの反射及び散乱光を検出し、又はその両者を組み合わせたものでそれぞれ切り換えて被測定物からの反射及び散乱光を検出する。
【0017】
そして、前記光源は、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能としたものである。これにより、レーザ光源若しくは白色光源で照射し、またはその両者を組み合わせたもの、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせたものでそれぞれ切り換えて照射する。
【0018】
また、第4の発明による変位計ユニットは、被測定物に照射する光ビームを発生する光源と、該光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、前記測定点選択手段を前記被測定物への光ビームの照射方向に変位させる変位手段と、該変位手段の変位を制御すると共に、前記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路と、を備えたものである。
【0019】
このような構成により、光源で光ビームを発生し、個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段で光源からの光ビームが被測定物方向に反射し、光検出手段で上記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段を介して検出し、変位手段で少なくとも上記測定点選択手段を上記被測定物への光ビームの照射方向に変位させ、変位計制御回路で上記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する。
【0020】
さらに、前記光検出手段は、前記光源と前記測定点選択手段との間の光路上に配設されて、前記測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光するものである。これにより、光源と測定点選択手段との間の光路上に配設された光分岐手段で測定点選択手段からの光路を二つに分岐し、光検出手段で光分岐手段により反射された光を受光する。
【0021】
さらにまた、前記光検出手段は、光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能としたものである。これにより、光電子増倍管若しくは撮像素子で被測定物からの反射及び散乱光を検出し、又はその両者を組み合わせたものでそれぞれ切り換えて被測定物からの反射及び散乱光を検出する。
【0022】
そして、前記光源は、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能としたものである。これにより、レーザ光源若しくは白色光源で照射し、またはその両者を組み合わせたもの、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせたものでそれぞれ切り換えて照射する。
【発明の効果】
【0023】
請求項1又は3に係る発明によれば、光ビームを被測定物上に集光する対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置された測定点選択手段のマトリクス状に配列された複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを傾けて光源からの光ビームを被測定物方向に反射すると共に、該被測定物の測定点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段の少なくとも一のマイクロミラーを介して検出するようにしたことにより、測定点を任意に選択することができ、被測定物上の測定点の高さを高速で測定することができる。したがって、例えば、液晶表示パネルのセルギャップ中の異物の高さを高速で検査することができる。
【0024】
また、請求項2又は5に係る発明によれば、測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動するものとしたことにより、所望の測定点及び測定点数を任意に選択することができる。したがって、被測定物上の任意の測定点の高さを高速度で測定することができる。
【0025】
さらに、請求項4に係る発明によれば、光源と、測定点選択手段と、光検出手段と、変位手段と、変位計制御回路とを有して変位計ユニットを構成し、該変位計ユニットの測定点選択手段を被測定物への光ビームの照射方向に変位させるものとしたことにより、測定点選択手段の変位量が対物レンズの倍率に応じて拡大されて、対物レンズの光軸方向に被測定物を相対的に変位させる場合よりも微小高さの測定精度を向上することができる。また、測定精度を上記被測定物を相対的に変位させる場合と同じにしたときには、測定点選択手段の変位量の測定をラフに行うことができる。したがって、この場合、変位量を測定するための例えばエンコーダやリニアスケール等の特別なセンサーを必要とせず、変位手段の駆動パルス数をカウントして変位量を測定することができ変位手段の構成が簡単となる。さらに、対物レンズの焦点を被測定物上に合わせた状態で各測定点における微小高さを測定することができるので、測定点を容易に指定することができる。
【0026】
さらに、請求項6又は10に係る発明によれば、光源と測定点選択手段との間の光路上に配設されて、測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光するものとしたことにより、光源から発射された光と干渉することなく測定点選択手段からの光を受光することができる。
【0027】
さらにまた、請求項7又は11に係る発明によれば、光検出手段を光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能なものとしたことにより、光電子増倍管を使用した場合には検出感度が高いため光検出精度が向上し、微小高さの測定精度を向上することができる。また、撮像素子を使用した場合には複数の測定点の高さ測定を同時に行うことができ、微小高さの測定をより高速で行うことができる。さらに、両者を組み合わせてそれぞれ切替可能とすれば、目的に応じて適宜切り換えて使用することができ、利便性が拡大する。
【0028】
そして、請求項8又は12に係る発明によれば、光源を、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能なものとしたことにより、複数の波長のレーザ光源を使用する場合には、被測定物の測定点の下地の色に応じてレーザ光源の波長を選択することができ、光検出をより高感度で行うことができる。また、白色光源を使用したと場合には、被測定物の測定点の下地の色に影響されることなく光検出を高感度で行うことができる。
【0029】
また、請求項9に係る発明によれば、複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段の該複数のマイクロミラーを個別に傾けて光源からの光ビームを被測定物方向に反射し、被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を検出すると共に、上記測定点選択手段を被測定物への光ビームの照射方向に変位させ、測定点選択手段の変位量及び上記検出光の輝度のデータを互いに関連づけて出力するものとしたことにより、既存の顕微鏡に取り付けて微小高さ測定装置を容易に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0030】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明による微小高さ測定装置の第1の実施形態を示す概念図である。この微小高さ測定装置は、共焦点光学系を用いて被測定物1の高さを測定するもので、光源2と、対物レンズ3と、測定点選択手段4と、光検出手段5と、変位手段6と、制御手段7とからなり、例えば液晶表示パネルのセルギャップの検査を高速で行おうとするものである。
【0031】
上記光源2は、光ビームを発射するものであり、例えばレーザ発振器である。
上記被測定物1と対向して対物レンズ3が設けられている。この対物レンズ3は、上記光源2からの光ビームを被測定物1上に集光するものである。
【0032】
上記対物レンズ3の焦点位置と光学的に共役の関係に測定点選択手段4が配置されている。この測定点選択手段4は、被測定物1上の側定点を任意に選択するものであり、光源2からの光ビームが被測定物1方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)をマトリクス状に配列したものである。このマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)のサイズは、例えば16μm角程度に形成することが可能であり、該マイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)でそれと略同サイズのスポット光を生成することができる。
【0033】
なお、上記対物レンズ3と測定点選択手段4との間には、結像レンズ8が対物レンズ3の光軸に一致させて設けられており、対物レンズ3によって被測定物1上に生成された光ビームのビームスポットの像を上記マイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)上に結像させるようになっている。そして、上記対物レンズ3と、測定点選択手段4と、結像レンズ8とで共焦点光学系9を構成している。
【0034】
上記光源2と測定点選択手段4との間には、光検出手段5が設けられている。この光検出手段5は、上記被測定物1上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を上記測定点選択手段4を介して光電変換して検出するものであり、例えば光電子増倍管(Photo Multiplier Tube:PMT)である。そして、光検出手段5は、上記光源2と測定点選択手段4との間の光路上に配設されて、上記測定点選択手段4からの光路を二つに分岐する光分岐手段11例えばハーフミラー等により反射された測定点選択手段4からの光を、光源2から発射される光ビームと干渉することなく受光できるようになっている。なお、上記光検出手段5は、光を光電変換して検出することができるものであれば上記PMTに限られない。
【0035】
上記共焦点光学系9には、変位手段6が設けられている。この変位手段6は、共焦点光学系9をその光軸方向に変位させるものであり、図示省略のモータと位置検出センサーとを備え、後述の制御手段7からの制御信号に基づいて上記モータを駆動して共焦点光学系9をその光軸方向(図1において矢印A,Bで示す方向)に変位させ、予め設定した基準位置からの変位量を上記位置検出センサーで検出してその検出信号を制御手段7に送るようになっている。
【0036】
上記測定点選択手段4、光検出手段5及び変位手段6に接続して制御手段7が設けられている。この制御手段7は、図2に示すように、上記測定点選択手段4の複数のマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)のうちから一つを任意に選択して駆動すると共に、上記光検出手段5で検出された光の輝度及び上記共焦点光学系9の変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物1の測定点における高さとして求めるものであり、制御及び処理部12と、A/D変換部13と、メモリ14と、ホームコンピュータ(以下、「制御用PC」と記載する)15とを備えている。
【0037】
上記制御及び処理部12は、外部に接続して備えた制御用PC15により、予め指定された各測定点に対応するマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)のアドレス情報を測定点選択手段4に送って、該アドレス情報により指定されたアドレスのマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)を駆動する。また、上記制御用PC15により予め指定されたサンプリング間隔及びサンプリング回数並びに変位速度に関する指令信号を変位手段6に送り、共焦点光学系9を該指令信号で定められる最大変位量だけ所定の速度で変位させる。さらに、上記サンプリング間隔のタイミングで上記サンプリング回数だけA/D変換部13を起動する変換タイミング信号を上記A/D変換部13に出力すると共に、上記A/D変換部13から上記タイミングで取得する輝度データと上記変位手段6から上記タイミングで入力する位置検出センサーの検出信号に基づいて生成される変位量データとを関連付けて上記メモリ14に書き込む。そして、上記メモリ14から読み出した各測定点の全ての輝度データとそれに関連付けられた変位量データとを制御用PC15に出力する。
【0038】
上記A/D変換部13は、上記光検出手段5から入力したアナログ信号をデジタルデータに変換するものであり、上記制御及び処理部12から入力する変換タイミング信号に基づいて所定のタイミングでデジタル変換するようになっている。また、上記メモリ14は、輝度データと変位量データとを関連付けて記憶するものであり、例えばRAMである。そして、制御用PC15は、オペレータが各測定点に対応するマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)のアドレス情報や、共焦点光学系9の変位速度及びサンプリング間隔並びにサンプリング回数等の各種パラメータを入力することを可能とすると共に、制御及び処理部12から互いに関連付けて出力された光の輝度及び変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を各測定点における被測定物1の高さとして求めるものであり、その結果を表示部15aに表示させるようになっている。
【0039】
次に、このように構成された微小高さ測定装置の動作及びそれを用いて実施する微小高さ測定方法について図3を参照して説明する。
先ず、ステップS1においては、制御手段7の制御及び処理部12は、オペレータが予め入力して指定した各測定点に対応するマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)のアドレス情報や、共焦点光学系9の変位速度及び変位量データを取得するためのサンプリング間隔並びにそのサンプリング回数等の各種パラメータを制御用PC15から入力する。なお、上記各測定点の座標位置が予め測定されている場合には、そのデータを保存したファイルから制御用PC15に取り込んで自動的に設定してもよい。
【0040】
ステップS2においては、上記入力した各種パラメータを処理して各マイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)の駆動順番K=1〜kを設定し、該設定された順番Kに従って駆動するマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)のアドレス情報を測定点選択手段4に順次送る。
【0041】
ステップS3においては、上記測定点選択手段4は、先ずK=1番に設定されたマイクロミラー10(1,i)(図1参照)を駆動して光源2から発射された光ビームを被測定物1側に反射する。上記マイクロミラー10(1,i)で反射された光ビームは、結像レンズ8及び対物レンズ3を通って被測定物1上の選択された第1の測定点に集光する。なお、この場合、他のマイクロミラーで反射される光ビームは、被測定物1とは異なる方向に向くようにされているので、これらの光ビームが被測定物1に集光することはない。
【0042】
上記被測定物1上の第1の測定点で発生した光ビームの反射及び散乱光は、対物レンズ3を通って結像レンズ8により上記マイクロミラー10(1,i)に集光する。そして、上記反射及び散乱光は、該マイクロミラー10(1,i)で光源2側に反射されて光分岐手段11に入射し、該光分岐手段11で光源2とは異なる方向に反射されて光検出手段5に入射する。
【0043】
ステップS4においては、上記光検出手段5で受光した光強度のアナログ信号を制御手段7のA/D変換部13でデジタルの輝度データに変換する。この場合、A/D変換部13では、上記制御用PC15から入力した各種パラメータのうちサンプリング間隔及びサンプリング回数のデータに基づいて制御及び処理部12で生成された変換タイミング信号により所定のタイミングで所定回数だけデジタル変換が行われる。
【0044】
同時に、制御及び処理部12は、制御用PC15から入力したサンプリング間隔及びサンプリング回数並びに変位速度に関する指令信号を変位手段6に送り、変位手段6のモータを駆動して共焦点光学系9を該指令信号で定められる変位量だけ所定の速度で図1に示す矢印A又はB方向に変位させる。
【0045】
ステップS5においては、制御及び処理部12は、A/D変換部13から所定のタイミングでデジタル変換された輝度データを順次入力する。また、同時に、変位手段6の位置検出センサーから上記タイミングに同期して順次入力される検出信号に基づいて共焦点光学系9の変位量データを生成する。
【0046】
この場合、被測定物1の測定点の位置が共焦点光学系9の対物レンズ3の焦点位置と一致しているときには、上記焦点位置からの反射光の略全てがマイクロミラー10(1,i)の反射面に集光して反射され、その結果、光検出手段5で検出される輝度値(光強度)は高くなる。一方、被測定物1の測定点の位置が上記対物レンズ3の焦点位置からずれているときには、測定点におけるビームスポットがぼけて大きくなり、そのビームスポットのマイクロミラー10(1,i)上に結像される像の大きさは、マイクロミラー10(1,i)のサイズよりも大きくなる。したがって、マイクロミラー10(1,i)の反射面で反射される光量が減って光検出手段5で検出される輝度値(光強度)は低下する。そして、測定点の上記焦点位置からのずれ量が大きくなるほど輝度値(光強度)はより低下する。
【0047】
ステップS6においては、制御及び処理部12は、各タイミング毎に得られた上記輝度データと変位量データとを第1の測定点の情報として互に関連付けてメモリ14に書き込む。
【0048】
ステップS7においては、K=kか否かを制御及び処理部12で判定する。ここで、“NO”判定となるとステップS3に戻ってK=2番に設定されたマイクロミラー10(1,i+1)の駆動に切り換え、上記ステップS4〜S6を実行する。そして、被測定物1の第2の測定点における輝度データと変位量データとを得て、それらを互いに関連づけてメモリ14に書き込む。
【0049】
一方、ステップS7において、“YES”判定となると全ての測定点に対する測定データの取り込みが終了し、ステップS8に進んで制御及び処理部12は、メモリ14から各測定点の輝度データと変位量データとを順次読み出し、各測定点における輝度値が最大となる変位量を被測定物1上の各測定点の高さとして定め、その結果を制御用PC15の表示部15aに表示する。
【0050】
なお、上記実施形態においては、共焦点光学系9を変位させる場合について説明したが、これに限られず、被測定物1側を対物レンズ3の光軸方向に変位させてもよい。
【0051】
図4は、本発明による微小高さ測定装置の第2の実施形態を示す正面図である。この微小高さ測定装置は、被測定物1と対向して配設され、光ビームを被測定物1上に集光する対物レンズ3と、該対物レンズ3に対して上記被測定物1と反対側に配設されており、図5に示すように光ビームを照射する光源2と、光源2からの光ビームが被測定物1方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段4と、上記被測定物1上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を測定点選択手段4を介して検出する光検出手段5と、少なくとも上記測定点選択手段4を上記対物レンズ3と切り離して被測定物1への光ビームの照射方向に変位させる変位手段6と、該変位手段6の変位を制御すると共に測定点選択手段4の変位量及び光検出手段5で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路16とを有する変位計ユニット17と、該変位計ユニット17の測定点選択手段4の各マイクロミラーを個別に駆動制御し、上記変位手段6の変位を制御すると共に、上記変位計ユニット17から出力された変位量及び光の輝度のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める例えばホストコンピュータからなる制御手段18と、を備えたものである。
【0052】
そして、上記対物レンズ3と、被測定物1の像を上記測定点選択手段4のミラー面に結像する結像レンズ8とを鏡筒19内に備えて顕微鏡を構成している。なお、図5において、符号19は変位手段6を駆動するモータドライバであり、符号20はモータドライバ19を制御するモータコントローラであり、符号21は、光ビームを反射する反射ミラーであり、符号22は測定点選択手段4で反射される不要光を吸収する光吸収器である。
【0053】
以下、上記第2実施形態の動作及びそれを用いて行う微小高さ測定方法を、図6を参照して詳細に説明する。なお、図6は、測定点をマニュアル設定して行う場合について示している。
先ず、図6に示すステップS11において、対物レンズ3を介して取得した被測定物1上の像を上記顕微鏡の鏡筒19に取り付けられた図示省略のオートフォーカス用カメラで撮像して対物レンズ3の焦点を被測定物1上に合わせる。
【0054】
ステップS12においては、オペレータがホストコンピュータからなる制御手段18に予め入力して設定した変位計ユニット17の変位速度及び変位量データを取得するためのサンプリング間隔並びにそのサンプリング回数等の各種パラメータを変位計ユニット17に入力してメモリ11に保存する。
【0055】
ステップS13においては、予め測定して制御手段18に保存された測定点の座標位置のうち、第1番目の測定点の座標データに基づいて例えば顕微鏡をXY軸方向に移動し、第1番目の測定点を上記対物レンズ3の視野内に設定する。この場合、対物レンズ3を介して取得した被測定物1上の像を上記顕微鏡の鏡筒19に取り付けられた図示省略の観察用カメラで撮像してこれを上記制御手段18の表示部に表示する。なお、顕微鏡の移動は、オペレータが表示部に表示された像を観察しながら手動で行ってもよい。また、移動するのは顕微鏡側ではなくて被測定物1側であってもよい。
【0056】
ここで、オペレータが表示部の画面上で制御手段18に備えるマウスのカーソル23を上記測定点の近傍部の平坦面を参照点として選択してマウスをクリックして確定し、さらに上記測定点にカーソル23を合わせてクリックして測定点を確定する。これにより、制御手段18から測定点選択手段4の上記参照点と測定点に対応するマイクロミラーを駆動するためのフレーム情報が作成されて変位計ユニット17に出力される。なお、測定点が接近していて、例えば図7(a)に示すように同一視野内に複数点、例えば二つの測定点が観察されたときには、マウスで先ず参照点として任意に選択した平坦な面上の点Rをクリックし、次に測定点の点P1をクリックし、さらに点P2をクリックにする。そして、上記フレーム情報は、制御及び処理部12を介して測定点選択手段4に送られ、そこに備える図示省略のメモリに一旦保存される。
【0057】
ステップS14において、変位計ユニット17の制御及び処理部12は、オートフォーカスや被測定面を観察するために点灯していた図示省略の照明用光源をOFFすると共に測定用の光源2、例えばレーザ光源をONする。
【0058】
ステップS15においては、上記フレーム情報に基づいて測定点選択手段4が駆動されて、上記参照点R及び測定点P1,P2に対応するマイクロミラーが光源2からの光ビームを被測定物1方向に反射するように傾けられる。
【0059】
ステップS16においては、制御及び処理部12は、変位計制御回路16のメモリ11に保存された各種パラメータから、変位計ユニット17を変位させるための速度データとサンプリング間隔のデータを読み出してモータコントローラ20に送る。モータコントローラ20は、上記各データに基づいてモータドライバ19をパルス制御して変位手段6を駆動し、変位計ユニット17を所定量だけ変位させる。
【0060】
変位計ユニット17が変位されると、制御及び処理部12で生成された変換タイミング信号がA/D変換部13に出力され、該A/D変換部13が所定時間だけ駆動されて指定された被測定物1の上記参照点R及び測定点P1,P2からの反射及び散乱されて光検出手段5で検出された光の輝度データを上記指定順番に取り込む。そして、この時の変位計ユニット17の変位量のデータ及び光検出手段5で検出された輝度データを互いに関連付けてメモリ11に保存する。
【0061】
ステップS17においては、予め設定されたサンプリング回数の測定が全て終了したか否かを制御及び処理部12で判定する。ここで、上記参照点R及び測定点P1,P2に対する測定が終了していないときには、“NO”判定となってステップS16に戻り、変位計ユニット17をさらに所定量変位して上記各点における新たな変位量及び輝度データを取得する。一方、上記参照点R及び測定点P1,P2に対する全ての測定が終了すると、“YES”判定となってステップS18に進む。なお、トータル変位量は、モータコントローラ20の1パルス当りの変位計ユニット17の移動量が予め分かっている場合にはパルス数をカウントして検出することができる。
【0062】
ステップS18においては、被測定物1上に設定された全ての測定点に対する高さ測定が終了したか否かを制御及び処理部12で判定する。ここで、まだ測定が終了していないときには、“NO”判定となってステップS19に進み、光源2をOFFすると共に証明用光源をONする。そして、ステップS16に戻り、顕微鏡を次の測定点に設定して上述と同様にして上記測定点の高さ測定を行う。一方、全ての測定点に対する測定が終了したときには、“YES”判定となってステップS20に進む。
【0063】
ステップS20においては、参照点及び各測定点における測定データをメモリ11から読み出して制御手段18に送る。制御手段18は、入力した参照点及び各測定点における測定データに基づいて各点の最大輝度値を示す変位量を各点における高さとして定める。そして、上記各測定点、例えば点P1,P2の高さを参照点Rの高さと比較して相対高さを算出し、図7(b)に示すように表示部に各測定点に対応してその高さの値を表示する。なお、表示方法は、上記方法に限られず、リスト表示等いかなる方法であってもよい。
【0064】
なお、上述したような測定点をマニュアル設定して測定する方法に限らず、測定点を自動設定して測定するようにしてもよい。この場合、図6のステップS13において、制御手段18で各測定点の測定順番を予め自動設定して保存しておく。次に、図8に示すように、例えば顕微鏡を移動して対物レンズ3の視野内に第1番目の測定点P1を引き込む。さらに、図示省力の観察用カメラによる取得画像を画像処理して画面中央と測定点P1との距離を測定し、同図(b)に示すように同寸法だけ顕微鏡を微動して上記測定点P1を対物レンズ3の光軸に合致させて測定点を設定する。また、同図(c)に示すように、測定点P1の近傍にて所定距離はなれた点を参照点として設定する。この場合、例えば予め測定して制御手段18に保存されている測定点P1の測定データのうちからそのサイズ情報を得て、所定方向にそのサイズの何倍かはなれた点を参照点Rとして設定するようにしてもよい。このようにして、測定点P1と参照点Rが設定されると、測定点P1に対応した測定点選択手段4のマイクロミラーであって、上記対物レンズ3の光軸と合致したマイクロミラー及び上記参照点Rに対応したマイクロミラーを駆動するためのフレーム情報を制御手段18で作成して変位計ユニット17に出力する。以下、ステップ14〜20を実行すれば、被測定物1上の各測定点の微小高さを測定することができる。
【0065】
また、上記第2の実施形態によれば、測定位置におけるプロファイルを測定することができる。その測定方法は、例えば図9(a)に示すように、先ず観察用カメラの取得画像により測定点P1の位置を確認し、マウスでプロファイルを測定する位置を指定してそれを画面上に表示する。次に、同図(b)に示すようにプロファイル測定位置に対応する測定点選択手段4のマイクロミラーを傾けて光ビームをプロファイル測定位置に照射して測定位置を確認した後、観察用の照明光源をOFFして変位計ユニット17を所定のステップで変位させながら上記測定位置上の各測定点おける反射及び散乱光の輝度を測定する。そして、各点における最大輝度値及び変位量データに基づいて各点の高さを算出し、同図(c)に示すように測定されたプロファイル情報を画面上に表示する。
【0066】
なお、以上の説明においては、光源2が一つレーザ光源の場合について述べたが、これに限られず、光源2は波長の異なる複数のレーザ光源又は白色光源であってもよく、それらを切換スイッチで切り換えて使用してもよい。被測定物の測定点における下地の色に応じてレーザ光源の波長又は白色光源を選択するとよい。レーザ光源は、輝度が高いため測定感度を向上することができ、白色光源は、被測定物の下地の色に影響されることなく測定することができる。
【0067】
また、光検出手段5はPMTに限らず、CCDやCMOSの撮像素子であってもよく、それらを切換スイッチで切り換えて使用してもよい。この場合、PMTは、一点ずつの測定に限られるが、光の検出感度が高いため測定精度を向上することができる。一方、撮像素子は検出感度が低いものの同時に多点の測定が可能であるため測定速度を向上することができる。
【0068】
さらに、光検出手段5としてCCDやCMOS等の二次元撮像素子を使用した場合には、被測定物の三次元形状を測定することができる。その測定方法は、図10(a)に示すような観察用カメラの観察範囲に対応して同図(b)に示すように測定点選択手段4のマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)が設けられているとき、図11(a)に黒く塗りつぶして示すようにマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)を例えば二枚おきに傾けて光源2からの光ビームを図5に実線で示すように被測定物1に向けて反射し、被測定物1からの反射及び散乱光を同じマイクロミラーで同図に破線で示すように反射し、二次元撮像素子からなる光検出手段5でその反射光を検出して二次元画像の輝度データを取得する。以下、図11(b)に拡大して示すようにマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)を、例えば同図に数字を付して示す順番に傾けて九枚の二次元画像を取得し、各二次元画像の輝度データを取得する。なお、他の部分のマイクロミラーも図11(b)に示す順番で傾けられる。
【0069】
次に、変位計ユニット17を所定方向に所定量変位させて、上述と同様にして九枚の二次元画像を取得して各二次元画像の輝度データを取得する。以下、これを繰り返して被測定物1の高さ方向の二次元画像の輝度データを全て取り終えると、各マイクロミラーに対応する被測定物1上の各測定点の最大輝度値を示す変位量を制御手段18で算出してそれを各測定点の高さとして求める。そして、その結果を制御手段18の表示部に表示させることにより、被測定物1の三次元形状を表すことができる。なお、被測定物1上の隣接する測定点からの反射及び散乱光がマイクロミラー上で干渉するのを避けるためには、同時に傾けるマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)は少なくとも一枚おきとするのがよく、好ましくはマイクロミラーが15μm×15μmの場合には、15μm×4(枚)=60μm以上離れているのがよい。これにより、光の干渉を回避して高さ測定を高精度に行うことができる。
【0070】
さらに、本発明の微小高さ測定装置においては、測定点選択手段4が複数のマイクロミラー10(1,1)〜10(m,n)をマトリクス状に配列したものである場合について説明したが、測定点選択手段4は透過型の液晶パネルであってもよい。この場合は、液晶パネルの各セルを個別に駆動して光を透過させて、測定点を任意に選択すればよい。
【図面の簡単な説明】
【0071】
【図1】本発明による微小高さ測定装置の実施形態を示す概念図である。
【図2】上記微小高さ測定装置の制御手段の構成を示すブロック図である。
【図3】本発明による微小高さ測定装置の動作及びそれを用いて実施する微小高さ測定方法について説明するフローチャートである。
【図4】本発明による微小高さ測定装置の第2の実施形態を示す正面図である。
【図5】上記第2の実施形態の変位計ユニットの構成を示すブロック図である。
【図6】上記第2の実施形態の動作及びそれを用いて測定点をマニュアル設定して行う微小高さ測定方法を説明するフローチャートである。
【図7】上記測定点をマニュアル設定する方法を示す説明図である。
【図8】上記測定点を自動設定する方法を示す説明図である。
【図9】指定した測定位置におけるプロファイルを測定する方法を示す説明図である。
【図10】観察用カメラによる被測定物上の撮像画像の例と、その観察範囲に対応して設けられた測定点選択手段のマイクロミラーの配列例を示す平面図である。
【図11】上記測定点選択手段において同時に傾けるマイクロミラーの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【0072】
1…被測定物
2…光源
3…対物レンズ
4…測定点選択手段
5…光検出手段
6…変位手段
7,18…制御手段
10(1,1)〜10(m,n),10(1,i)…マイクロミラー
11…光分岐手段
16…変位計制御回路
17…変位計ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光ビームを被測定物上に集光する対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段の当該マイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを傾けて光源からの光ビームを被測定物方向に反射させ、
前記少なくとも一のマイクロミラーで反射された光ビームを前記対物レンズにより被測定物上に集光し、
該被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段の前記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出し、
前記被測定物を前記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させてその変位量を検出し、
前記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出された光の輝度及び前記検出された変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める、
ことを特徴とする微小高さ測定方法。
【請求項2】
前記測定点選択手段は、複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動することを特徴とする請求項1記載の微小高さ測定方法。
【請求項3】
光ビームを照射する光源と、
前記光源からの光ビームを被測定物上に集光する対物レンズと、
該対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、前記光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、
前記被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、
前記被測定物を前記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させると共にその変位量を検出して出力する変位手段と、
前記測定点選択手段の各マイクロミラーを個別に駆動制御し、前記変位手段の変位を制御すると共に、前記光検出手段で検出された光の輝度及び前記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める制御手段と、
を備えたことを特徴とする微小高さ測定装置。
【請求項4】
被測定物に照射する光ビームを発生する光源と、該光源からの光ビームが前記被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、前記測定点選択手段を前記被測定物への光ビームの照射方向に変位させる変位手段と、該変位手段の変位を制御すると共に前記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路とを有する変位計ユニットと、
前記変位計ユニットの光源からの光ビームを前記被測定物上に集光する対物レンズと、
前記変位計ユニットの測定点選択手段の各マイクロミラーを個別に駆動制御すると共に、前記変位計ユニットから出力された変位量及び光の輝度のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める制御手段と、
を備えたことを特徴とする微小高さ測定装置。
【請求項5】
前記制御手段は、前記測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動させることを特徴とする請求項3又は4記載の微小高さ測定装置。
【請求項6】
前記光検出手段は、前記光源と前記測定点選択手段との間の光路上に配設されて、前記測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光することを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の微小高さ測定装置。
【請求項7】
前記光検出手段は、光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能としたものであることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載の微小高さ測定装置。
【請求項8】
前記光源は、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能としたものであることを特徴とする請求項3〜7のいずれか1項に記載の微小高さ測定装置。
【請求項9】
被測定物に照射する光ビームを発生する光源と、
該光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、
前記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、
前記測定点選択手段を前記被測定物への光ビームの照射方向に変位させる変位手段と、
該変位手段の変位を制御すると共に、前記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路と、
を備えたことを特徴とする変位計ユニット。
【請求項10】
前記光検出手段は、前記光源と前記測定点選択手段との間の光路上に配設されて、前記測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光することを特徴とする請求項9に記載の変位計ユニット。
【請求項11】
前記光検出手段は、光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能としたものであることを特徴とする請求項9又は10記載の変位計ユニット。
【請求項12】
前記光源は、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能としたものであることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の変位計ユニット。
【請求項1】
光ビームを被測定物上に集光する対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段の当該マイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを傾けて光源からの光ビームを被測定物方向に反射させ、
前記少なくとも一のマイクロミラーで反射された光ビームを前記対物レンズにより被測定物上に集光し、
該被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段の前記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出し、
前記被測定物を前記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させてその変位量を検出し、
前記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出された光の輝度及び前記検出された変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める、
ことを特徴とする微小高さ測定方法。
【請求項2】
前記測定点選択手段は、複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動することを特徴とする請求項1記載の微小高さ測定方法。
【請求項3】
光ビームを照射する光源と、
前記光源からの光ビームを被測定物上に集光する対物レンズと、
該対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、前記光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、
前記被測定物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、
前記被測定物を前記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に変位させると共にその変位量を検出して出力する変位手段と、
前記測定点選択手段の各マイクロミラーを個別に駆動制御し、前記変位手段の変位を制御すると共に、前記光検出手段で検出された光の輝度及び前記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める制御手段と、
を備えたことを特徴とする微小高さ測定装置。
【請求項4】
被測定物に照射する光ビームを発生する光源と、該光源からの光ビームが前記被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、前記測定点選択手段を前記被測定物への光ビームの照射方向に変位させる変位手段と、該変位手段の変位を制御すると共に前記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路とを有する変位計ユニットと、
前記変位計ユニットの光源からの光ビームを前記被測定物上に集光する対物レンズと、
前記変位計ユニットの測定点選択手段の各マイクロミラーを個別に駆動制御すると共に、前記変位計ユニットから出力された変位量及び光の輝度のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の測定点の高さとして求める制御手段と、
を備えたことを特徴とする微小高さ測定装置。
【請求項5】
前記制御手段は、前記測定点選択手段の複数のマイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを任意に選択して駆動させることを特徴とする請求項3又は4記載の微小高さ測定装置。
【請求項6】
前記光検出手段は、前記光源と前記測定点選択手段との間の光路上に配設されて、前記測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光することを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の微小高さ測定装置。
【請求項7】
前記光検出手段は、光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能としたものであることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載の微小高さ測定装置。
【請求項8】
前記光源は、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能としたものであることを特徴とする請求項3〜7のいずれか1項に記載の微小高さ測定装置。
【請求項9】
被測定物に照射する光ビームを発生する光源と、
該光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、
前記被測定物上の光ビームの照射点からの反射及び散乱光を前記測定点選択手段を介して検出する光検出手段と、
前記測定点選択手段を前記被測定物への光ビームの照射方向に変位させる変位手段と、
該変位手段の変位を制御すると共に、前記測定点選択手段の変位量及び前記光検出手段で検出された光の輝度のデータを互いに関連づけて出力する変位計制御回路と、
を備えたことを特徴とする変位計ユニット。
【請求項10】
前記光検出手段は、前記光源と前記測定点選択手段との間の光路上に配設されて、前記測定点選択手段からの光路を二つに分岐する光分岐手段により反射された光を受光することを特徴とする請求項9に記載の変位計ユニット。
【請求項11】
前記光検出手段は、光電子増倍管若しくは撮像素子であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて光検出可能としたものであることを特徴とする請求項9又は10記載の変位計ユニット。
【請求項12】
前記光源は、レーザ光源若しくは白色光源であり、又はその両者を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能とし、或いは波長の異なるレーザ光源を組み合わせてそれぞれ切り換えて照射可能としたものであることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の変位計ユニット。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2006−266823(P2006−266823A)
【公開日】平成18年10月5日(2006.10.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−84393(P2005−84393)
【出願日】平成17年3月23日(2005.3.23)
【出願人】(500171707)株式会社ブイ・テクノロジー (283)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年10月5日(2006.10.5)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年3月23日(2005.3.23)
【出願人】(500171707)株式会社ブイ・テクノロジー (283)
【Fターム(参考)】
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