３次元形状測定方法及び装置並びに３次元形状測定用顕微鏡装置
【課題】段差部を有する鏡面反射性物体の形状を高精度に測定することが可能な３次元形
状測定方法及び装置並びに３次元形状測定用顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】デフレクトメトリの手法を用いて被検面４の局所スロープ情報及び形状情報
を求めた後、投影光学系２による面光源１の共役位置３が記被検面４上に位置するように
設定するとともに、開口絞り２２の絞り半径を小さくして、面光源像を被検面４に投影す
る。観察光学系５により観察される面光源画像における歪情報と、先に求めた局所スロー
プ情報及び形状情報に基づき、被検面が有する段差部の段差量情報を求め、その段差量情
報に基づき形状情報を補正する。
状測定方法及び装置並びに３次元形状測定用顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】デフレクトメトリの手法を用いて被検面４の局所スロープ情報及び形状情報
を求めた後、投影光学系２による面光源１の共役位置３が記被検面４上に位置するように
設定するとともに、開口絞り２２の絞り半径を小さくして、面光源像を被検面４に投影す
る。観察光学系５により観察される面光源画像における歪情報と、先に求めた局所スロー
プ情報及び形状情報に基づき、被検面が有する段差部の段差量情報を求め、その段差量情
報に基づき形状情報を補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状測定に用いられるデフレクトメトリ（deflectometry）、及び微
細構造を高感度で観察できるマイクロデフレクトメトリ（micro deflectometry）の技術
に関し、特に、被検面の形状を測定するための３次元形状測定方法及び装置、並びに被検
面の微細形状を測定するための３次元形状測定用顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の３次元形状測定には、パターン投影法を含むステレオ計測手法が広く用い
られている。これらは三角測量の原理に基づき、様々な物体の形状を測定するものである
が、鏡面反射性を有する物体の形状測定には適していない。鏡面反射性を有する物体の形
状測定には干渉計が用いられることがあるが、干渉計では、基準とする平面あるいは球面
からの参照光の波面形状と、物体面からの物体光の波面形状との乖離が大きいと干渉縞密
度が高くなりすぎて干渉縞を検出することが困難となるので、測定可能な形状範囲が限ら
れてしまうという問題がある。
【０００３】
それに対して、デフレクトメトリは下記非特許文献１に記載されているように、次述す
るような構成及び手法により、鏡面反射性を有する物体の形状を測定することができる。
【０００４】
すなわち、まず、周期的な強度分布を有する面光源の像を投影光学系により被検面に投
影する。このとき、投影光学系による面光源の共役位置と被検面との間に所定の間隔が形
成されるように設定しておく。次に、観察光学系のピントを被検面に合わせ、被検面に投
影された面光源像の画像（ピントの外れた画像となる）を取得し、この面光源画像におけ
る歪情報に基づき、被検面の各点における傾斜量を示す局所スロープ情報を求める。そし
て、この局所スロープ情報に基づき被検面の形状情報を求めるものである。
【０００５】
また、これらの構成及び手法を顕微鏡装置に適用することによって、微細な３次元構造
の計測を可能にするマイクロデフレクトメトリも提案されている（例えば、下記非特許文
献２を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】M.C.Knauer,et.al.“Phase Measuring Deflectometry: a new approach to measure specular free-form surafaces ”Proc. SPIE 5457, 366-376 (2004)
【非特許文献２】G.Hausler,et.al.“Deflectometry: 3D-Metrology from Nanometer to meter ”Opt. Lett. Vol.33, 396-398 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述のデフレクトメトリ及びマイクロデフレクトメトリは、被検面上に高さが急激に変
化する部分（以下「段差部」と称する）が存在すると、この段差部の局所スロープ情報を
正しく求めることができないという特性を有しており、このため、段差部を有する被検面
の形状測定においては、段差部の高低差（以下「段差量」と称する）の情報も含めた正確
な形状情報を得ることが難しいという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、段差部を有する鏡面反射性物
体の形状を高精度に測定することが可能な３次元形状測定方法及び装置並びに３次元形状
測定用顕微鏡装置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】
【０００９】
本発明を例示する３次元形状測定方法の一態様は、周期的な強度分布を有する面光源の
像を被検面に投影する投影光学系による前記面光源の共役位置と前記被検面との間に所定
の間隔が形成されるように設定して、前記投影光学系により前記面光源の像を前記被検面
に投影する第１の投影ステップと、前記被検面にピントを合わせた観察光学系により観察
される、前記被検面に投影された前記面光源の像の画像である第１の面光源画像を取得す
る第１の面光源画像取得ステップと、取得された前記第１の面光源画像における歪情報に
基づき、前記被検面の各点における傾斜量を示す局所スロープ情報を求める局所スロープ
情報取得ステップと、求められた前記局所スロープ情報に基づき前記被検面の形状情報を
求める形状情報取得ステップと、を実行した後に、前記投影光学系による前記面光源の共
役位置が前記被検面上に位置するように設定して、前記投影光学系により前記面光源の像
を前記被検面に投影する第２の投影ステップと、前記観察光学系により観察される、前記
被検面に投影された前記面光源の像の画像である第２の面光源画像を取得する第２の面光
源画像取得ステップと、取得された前記第２の面光源画像における歪情報と、前記第１の
面光源画像に基づき求められた前記局所スロープ情報と、該局所スロープ情報に基づき求
められた前記形状情報とに基づき、前記第２の面光源画像の歪情報中に含まれる、前記被
検面が有する段差部の段差量情報を求める段差量情報取得ステップと、求められた前記段
差量情報に基づき前記形状情報を補正する形状情報補正ステップと、を実行することを特
徴とする。
【００１０】
また、本発明を例示する３次元形状測定装置の一態様は、周期的な強度分布を有する面
光源と、前記面光源の像を被検面に投影する投影光学系と、前記投影光学系により前記被
検面に投影された前記面光源の像の画像を取得する観察光学系と、前記観察光学系により
取得された前記面光源の像の画像を解析する解析装置と、を備えた３次元形状装置であっ
て、前記投影光学系による前記面光源の共役位置を調整する面光源共役位置調整手段と、
前記投影光学系の絞り半径を調整する絞り調整手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明を例示する３次元形状測定用顕微鏡装置の一態様は、周期的な強度分布を
有する面光源と、前記面光源の像を前記被検面に投影して該被検面を照明する照明光学系
と、前記照明光学系により前記被検面に投影された前記面光源の像の画像を取得する、対
物レンズを有する観察光学系と、前記観察光学系により取得された前記面光源の像の画像
を解析する解析装置と、を備えた３次元形状測定用顕微鏡装置であって、前記照明光学系
は、前記観察光学系の前記対物レンズを介して前記被検面を照明する同軸落射型のもので
あり、前記照明光学系による前記面光源の共役位置を調整する面光源共役位置調整手段と
、前記照明光学系の絞り半径を調整する絞り調整手段と、前記照明光学系の絞り位置を該
照明光学系の光軸と垂直な方向に調整する絞り位置調整手段と、を備えたことを特徴とす
る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、段差部を有する鏡面反射性物体の形状（被検面の形状）を高精度に測
定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る３次元形状測定装置の局所スロープ情報取得時の構成を示す図である。
【図２】図１に示す３次元形状測定装置による形状計測結果（シミュレーション）と真の形状とを対比するグラフを示す図である。
【図３】図１に示す３次元形状測定装置の段差量情報取得時の構成を示す図である。
【図４】段差量の測定原理を説明する図である。
【図５】段差量の測定解析で用いる変数Ｄの測定値（シミュレーション）のグラフを示す図である。
【図６】段差量の補正を行っていない状態における変数Ｄの計算値（シミュレーション）のグラフを示す図である。
【図７】段差量の補正を行った状態における変数Ｄの計算値（シミュレーション）のグラフを示す図である。
【図８】段差量補正後の形状計測結果（シミュレーション）と真の形状とを対比するグラフを示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る３次元形状測定用顕微鏡装置の局所スロープ情報取得時の構成を示す図である。
【図１０】図９に示す３次元形状測定用顕微鏡装置の段差量情報取得時の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について上記図面を参照しながら説明する。なお、図１及び図
３においては、方向を示すためのＸ軸及びＺ軸を図示しているが、これら２軸に対し垂直
な方向（紙面と垂直な方向）をＹ軸方向（紙面奥側が正）と称する。
【００１５】
〈第１実施形態〉
図１及び図３に示す第１実施形態に係る３次元形状測定装置は、マクロな鏡面反射性物
体（被検面４）の３次元形状を測定するための態様を例示するものであり、周期的な強度
分布を有するインコヒーレントな面光源１と、この面光源１の像（以下「面光源像」と称
する）を被検面４に投影する投影光学系２と、この投影光学系２により被検面４に投影さ
れた面光源像を観察する観察光学系５と、この観察光学系５により観察される面光源像を
撮像するＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる２次元撮像素子６と、この２次元撮像素子６により
撮像された面光源像の画像を解析する解析装置７を備えてなる。
【００１６】
面光源１は、強度分布を制御することが可能な空間変調型の面光源であり、本実施形態
では、一方向に正弦波状の強度分布を有する周期パターンを形成するように構成されてい
る。この面光源１は、例えば、ランプ、パターンマスク等で構成される。パターンマスク
の場合は、透過型の液晶素子等で構成され、電気信号によって強度分布を制御できるよう
に構成される。また、面光源１は、ステージ等からなる面光源共役位置調整手段１１によ
り、投影光学系２に対して移動可能に支持されており、投影光学系２に対する面光源１の
位置を変えることにより、投影光学系２による面光源１の共役位置を調整することが可能
となっている。
【００１７】
投影光学系２は、複数のレンズ（２つのレンズ２１，２３を例示）と、開口絞り２２と
、この開口絞り２２の絞り半径を調整する絞り調整手段２４を備えている。この投影光学
系２は、大きな結像ＮＡを有しており、絞り調整手段２４により開口絞り２２の絞り半径
を調整することによって、結像ＮＡを調節することが可能に構成されている。
【００１８】
観察光学系５は、複数のレンズ（２つのレンズ５１，５３を例示）と開口絞り５２を備
えており、被検面４の像を２次元撮像素子６上の撮像面に形成するように構成されている
。
【００１９】
次に、本発明に係る３次元形状測定方法の一実施形態について説明する。以下では、上
述の第１実施形態に係る３次元形状測定装置に適用した場合を例にとって説明するが、後
述する第２実施形態に係る３次元形状測定用顕微鏡装置に対しても同様に適用することが
可能である。
【００２０】
まず、面光源共役位置調整手段１１により投影光学系２に対する面光源１の位置を調整
することによって、投影光学系２による面光源１の共役位置３と被検面４との間に所定の
間隔が形成されるように設定し、投影光学系２により面光源像を被検面４に投影する（第
１の投影ステップ）。このとき、投影光学系２の開口絞り２２は、絞り調整手段２４によ
り絞り半径が大きく設定されており、これにより、投影光学系２のＮＡが大きくなり、横
分解能が高められる。
【００２１】
次に、観察光学系５のピントを被検面４に合わせ、被検面４に投影された面光源像を観
察光学系５によって取り込み、その面光源像の画像（以下「第１の面光源画像」と称する
）を２次元撮像素子６により撮像する（第１の面光源画像取得ステップ）。投影光学系２
による面光源１の共役位置３が被検面４から離れているため、２次元撮像素子６により撮
像される第１の面光源画像はボケ像となる。
【００２２】
次いで、解析装置７において、取得された第１の面光源画像の歪情報に基づき、被検面
４の各点における傾斜量を示す局所スロープ情報を求め（局所スロープ情報取得ステップ
）、さらに、求められた局所スロープ情報に基づき被検面４の形状情報を求める（形状情
報取得ステップ）。
【００２３】
以上の手順は、従来のデフレクトメトリにおいて行われる手順と同じである。なお、デ
フレクトメトリには定性的に、面光源１の共役位置３と被検面４との間隔が大きいほど、
また、面光源１の周期パターンのピッチが小さいほど、感度及び分解能が高くなるが、面
光源１の共役位置３と被検面４との間隔を大きくし、かつ面光源１の周期パターンのピッ
チを小さくすると、撮像される面光源像の周期パターンのボケがひどくなり、Ｓ／Ｎが低
下するというトレードオフの関係がある。このため、このトレードオフの関係に基づき、
面光源１の周期パターン（正弦波状の強度分布）のピッチと、面光源１の共役位置３と被
検面４との間隔を、適宜調整することが好ましい。
【００２４】
上述の局所スロープ情報及び形状情報を求める手法は従来公知のものと同様であるが、
その原理は以下の通りである。
【００２５】
すなわち、被検面４が完全な平面形状の場合には、正弦波状の強度分布をもつ面光源１
のボケ像に歪はなく、面光源１と同じ位相をもった像が形成される（正弦波状の強度分布
はボケてもその位相は保存される性質を利用している）。これに対し、被検面４が平面形
状からずれている場合、被検面４の各点における傾斜量に対応して面光源像が歪むことに
なる。その歪み状態を解析することにより被検面４の局所スロープ情報を求めることがで
きる。
【００２６】
具体的には、観察光学系５において、被検面４上の各点からの主光線の方向と、被検面
座標（被検面４上に設定された座標）と検出面座標（２次元撮像素子の撮像面上に設定さ
れた座標）との対応関係は、観察光学系５の設計値あるいは校正によって既知となる。さ
らに、投影光学系２により形成される面光源１の像（共役位置３での面光源像）の横座標
（Ｘ軸方向及びＹ軸方向の位置）と、被検面４及び２次元撮像素子６の各横座標との対応
関係は、撮像された第１の面光源画像における周期パターンの歪みから求められるので、
共役位置３での面光源像から被検面４上の各点に向かう光線方向も求まることになる。被
検面４の各点に対して、入射光、射出光の方向が求まるので、各座標における被検面４の
傾斜量を求めることが可能となる。
【００２７】
なお、高精度な測定を行うためには、面光源１の正弦波状の強度分布の位相を、例えば
、０、π／２、π、３π／２と変えて測定を行い、測定毎に撮像された面光源像の画像デ
ータに対し、周知の位相シフト法を用いて解析することが好ましい。また、被検面４の形
状情報を求めるためには、直交する２方向の各々に沿った局所スロープ情報を求める必要
があるので、面光源１で形成する強度分布のパターンの方向をＸ軸方向に揃えた場合とＹ
軸方向に揃えた場合との計２セットのデータ取得を行い、画像解析を行う。画像解析によ
って求めたＸ軸方向及びＹ軸方向の２方向の局所スロープ情報を積分することにより、被
検面４の形状情報を求めることができる。
【００２８】
以上の手順により求められる被検面４の形状情報のシミュレーション結果を図２（縦軸
及び横軸の数値は無単位。以下の図５〜図８において同じ）に示す。被検面４は段差部を
有する形状に設定してある。図２において、点線で表されているのが、予め設定した被検
面４の真の形状であり、実線で表されているのが、シミュレーションで得られた計測結果
である。図２に示すように、これまでのデフレクトメトリにおける測定手法では、段差部
おける局所スロープ情報を正しく求めることができず、その結果、計測データの段差部（
図中の実線が分離した部分）に誤差が重畳してしまうことが分かる。
【００２９】
次に、本発明に係る３次元形状測定方法の特徴部分である、段差部の段差量情報を求め
る手順に移る。
【００３０】
まず、図３に示すように、面光源１の位置を光軸方向にシフトさせることにより、投影
光学系２による面光源１の共役位置が被検面４上に位置するように設定するとともに、図
１に示す態様との比較において、投影光学系２の開口絞り２２の絞り半径を小さくして、
投影光学系２により面光源像を被検面４に投影する（第２の投影ステップ）。
【００３１】
開口絞り２２の絞り半径を小さくすることにより、被検面４への入射光束の指向性が高
くなり、その結果、段差部に対する測定感度は高くなる。一方、開口絞り２２の絞り半径
を小さくすると、投影光学系２のＮＡが小さくなるため、面光源１の周期パターンのピッ
チ（正弦波状の強度分布の周期）を小さくすると解像度が低下してしまう。そこで、被検
面４の形態や、投影光学系２及び観察光学系５の条件等によって、面光源１の周期パター
ンのピッチを必要に応じて適宜変更することが好ましい。
【００３２】
次に、観察光学系５のピントを被検面４に合わせ、被検面４に投影された面光源像を観
察光学系５により取り込み、その面光源像の画像（以下「第２の面光源画像」と称する）
を２次元撮像素子６により撮像する（第２の面光源画像取得ステップ）。
【００３３】
次いで、解析装置７において、取得された第２の面光源画像における歪情報と、先に、
第１の面光源画像に基づき求められた上述の局所スロープ情報と、この局所スロープ情報
に基づき求められた上述の形状情報とに基づき、第２の面光源画像の歪情報中に含まれる
、被検面４が有する段差部の段差量情報を求める（段差量情報取得ステップ）。この段差
量情報取得ステップにおける具体的手順は、以下の通りである。
【００３４】
まず、上記第２の面光源画像における歪情報に基づき、被検面４の各点における高さ量
及び傾斜量との間に所定の関係式（後述する式（４））が成立する所定の変数（後述する
Ｄ）の計測値（後述するＤ（ｘ2））を求める（変数計測値取得ステップ）。
【００３５】
次に、上記第１の面光源画像に基づき求められた上述の局所スロープ情報と、この局所
スロープ情報に基づき求められた上述の形状情報と、上記所定の関係式とに基づき、上記
所定の変数Ｄの計算値（後述するＤa（ｘ2）及びＤb（ｘ2））を求める（変数計算値取得
ステップ）。そして、上記所定の変数の計測値と計算値との差に基づき、被検面４が有す
る段差部の段差量を算出する（段差量算出ステップ）。
【００３６】
この段差量情報取得ステップの終了後、求められた段差量情報に基づき、上述の形状情
報を補正し（形状情報補正ステップ）、段差部を含めた被検面４の形状情報を求める。
【００３７】
ここで、上述の段差量算出ステップにおいて段差量を算出する原理について、図４を参
照しながら説明する。図４では、被検面４の、Ｘ軸方向に沿った断面の一部を太い曲線で
示している。また、投影光学系２の投影角度（投影光学系２の光軸とＺ軸とのなす角度）
をφ、被検面４上の任意の点Ｑにおける傾き量をθ、高さ量をｆ（ｘ1）で示している。
さらに、Ｘ軸上に、投影光学系２による面光源１の共役位置と観察光学系５のピント合致
位置が位置するものとし、このＸ軸を含む紙面に垂直な平面を基準面としている。
【００３８】
図４において、角度φで被検面４上の点Ｑ（ｘ1，ｆ（ｘ1））に入射した光線は、矢印
Ｋの方向に反射される。この光線の２次元撮像素子６への入射位置は、基準面上での点Ｒ
（ｘz，０）に対応する。一方、被検面４が理想的な平面（基準面）で形成されていた場
合、上記光線の２次元撮像素子６への入射位置は、基準面上での点Ｐ（ｘ0，０）に対応
する。すなわち、被検面４上の点Ｑにおける高さ量ｆ（ｘ1）と傾斜量θによって、点Ｐ
から点Ｒへと座標がシフトし、これにより面光源像における正弦波状の強度分布が歪みを
持つことになる。したがって、この歪み量を解析することにより、点Ｐから点Ｒへのシフ
ト量を表す変数Ｄの計測値Ｄ（ｘ2）（＝ｘ2−ｘ1）を求めることができる。今回のシミ
ュレーションで与えた被検面４の形状に対しては、図５に示すようなＤ（ｘ2）のグラフ
（曲線）が得られる。なお、ここでも、上述の位相シフト法を適用することにより、高精
度に歪み量を検出することが可能となり、Ｄ（ｘ2）の計測精度も高くすることができる
。
【００３９】
上述のｘ0，ｘ1，ｘ2，φ，θ，ｆ（ｘ1）の間には、下記の式（１）、式（２）の関係
が成立する。また、θは、ｆ（ｘ1）の微分値ｆ´（ｘ1）として表せるので、下記の式（
３）の関係が成立する。したがって、上記計測値Ｄ（ｘ2）と、被検面４上の点Ｑにおけ
る高さ量ｆ（ｘ1）と傾斜量θ（＝ｆ´（ｘ1））との間には、下記の式（４）の関係が成
立する。
【００４０】
【数１】
【００４１】
一方、上述の局所スロープ情報取得ステップにおいて求められた被検面４の局所スロー
プ情報（詳細には被検面４上の各点における傾斜量）をθｍ、上述の形状情報取得ステッ
プにおいて求められた被検面４の形状情報（詳細には被検面４上の各点における高さ量）
をｆm（ｘ1）とすると、θmとｆm（ｘ1）との間には下記の式（５）の関係が成立する。
【００４２】
θmとｆm（ｘ1）は、段差部を除いては、被検面４の情報を正しく示しているので、段
差部の手前までの被検面４の形状は下記の式（６）により、段差部の後の被検面４の形状
は下記の式（７）により、それぞれ表すことができる。ここで、式（６）中の定数Ｃa、
式（７）の定数Ｃbは、積分の初期値であるとともに、段差部の補正に関わる補正定数で
ある。
【００４３】
【数２】
【００４４】
式（５）〜式（７）の関係を、式（４）にあてはめることにより、上記変数Ｄの計算値
Ｄa（ｘ2）、Ｄb（ｘ2）を算出することができる。算出されたＤa（ｘ2）、Ｄb（ｘ2）と
、上記計測値Ｄ（ｘ2）との差が最小となるように、補正定数Ｃa、Ｃbの値を決定し、決
定された補正定数Ｃa、Ｃbの値を、式（６）及び式（７）に代入することにより、段差量
が補正された被検面４の形状情報を求めることができる。
【００４５】
補正定数Ｃa、Ｃbの値を決定する前の計算値Ｄa、Ｄbは、図６に示す曲線となるが、値
を決定した後は図７に示す曲線となる。また、段差量が補正された被検面４の形状計測結
果も図８に示すように真の形状に近づくことが確かめられた。
【００４６】
〈第２実施形態〉
図９及び図１０に示す本発明の第２実施形態に係る３次元形状測定用顕微鏡装置は、ミ
クロな鏡面反射性物体（被検面４）の３次元形状を測定するための顕微鏡への適用態様を
例示するものであり、周期的な強度分布を有するインコヒーレントな面光源１と、この面
光源１の像（面光源像）を被検面４に投影する照明光学系２Ａ（投影光学系としても機能
する）と、この照明光学系２Ａにより被検面４に投影された面光源像を観察する観察光学
系５と、この観察光学系５により観察される面光源像を撮像するＣＣＤやＣＭＯＳ等から
なる２次元撮像素子６と、この２次元撮像素子６により撮像された面光源像の画像を解析
する解析装置７を備えてなる。
【００４７】
上述の第１実施形態と同様、面光源１は、ステージ等からなる面光源共役位置調整手段
１１により、照明光学系２Ａに対して移動可能に支持されており、照明光学系２Ａに対す
る面光源１の位置を変えることにより、照明光学系２Ａによる面光源１の共役位置を調整
することが可能となっている。
【００４８】
観察光学系５は、複数のレンズ（対物レンズＯＬとレンズ５３を例示）と開口絞り５２
を備えており、被検面４の像を２次元撮像素子６上の撮像面に結像させるように構成され
ている。また、観察光学系５の光軸上にはビームスプリッタＢＳが配置されている。
【００４９】
照明光学系２Ａは、観察光学系５の対物レンズＯＬを介して被検面４を照明する同軸落
射型のものであり、レンズ２１及び開口絞り２２を介して図中左方に導いた面光源１から
の光線を、ビームスプリッタＢＳにより対物レンズＯＬに導き、面光源像を投影するよう
に構成されている。また、この照明光学系２Ａは、開口絞り２２の絞り半径を調整する絞
り調整手段２４と、開口絞り２２の絞り位置を照明光学系２Ａの光軸と垂直な方向に調整
する絞り位置調整手段２５を備えている。
【００５０】
被検面４の局所スロープ情報を求める場合の構成及び手順は、上述の第１実施形態と同
様であるが、本実施形態の場合、傾斜量の検出感度が半減することに注意する必要がある
（前掲の非特許文献２を参照）。
【００５１】
被検面４の段差量情報を求める場合には、図１０に示すように、面光源１の位置を光軸
方向にシフトさせることにより、照明光学系２Ａによる面光源１の共役位置が被検面４上
に位置するように設定するとともに、図９に示す態様との比較において、照明光学系２Ａ
の開口絞り２２の絞り半径を小さくして、照明光学系２Ａにより面光源像を被検面４に投
影する。この点は、上述の第１実施形態と同様である。ただし、本実施形態の場合、開口
絞り２２の絞り半径を小さくするだけではなく、面光源１の周期パターンに対し垂直な方
向（図１０では下方）に絞り位置をシフトさせ、このシフト操作によって被検面４への照
明光の入射角を制御する。被検面４の段差量情報を求める解析方法や原理は上述の第１実
施形態と同様である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 面光源
２ 投影光学系
２Ａ 照明光学系
３ （面光源の）共役位置
４ 被検面
５ 観察光学系
６ ２次元撮像素子
７ 解析装置
１１ 面光源共役位置調整手段
２２，５２ 開口絞り
２４ 絞り調整手段
２５ 絞り位置調整手段
ＯＬ 対物レンズ
ＢＳ ビームスプリッタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状測定に用いられるデフレクトメトリ（deflectometry）、及び微
細構造を高感度で観察できるマイクロデフレクトメトリ（micro deflectometry）の技術
に関し、特に、被検面の形状を測定するための３次元形状測定方法及び装置、並びに被検
面の微細形状を測定するための３次元形状測定用顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の３次元形状測定には、パターン投影法を含むステレオ計測手法が広く用い
られている。これらは三角測量の原理に基づき、様々な物体の形状を測定するものである
が、鏡面反射性を有する物体の形状測定には適していない。鏡面反射性を有する物体の形
状測定には干渉計が用いられることがあるが、干渉計では、基準とする平面あるいは球面
からの参照光の波面形状と、物体面からの物体光の波面形状との乖離が大きいと干渉縞密
度が高くなりすぎて干渉縞を検出することが困難となるので、測定可能な形状範囲が限ら
れてしまうという問題がある。
【０００３】
それに対して、デフレクトメトリは下記非特許文献１に記載されているように、次述す
るような構成及び手法により、鏡面反射性を有する物体の形状を測定することができる。
【０００４】
すなわち、まず、周期的な強度分布を有する面光源の像を投影光学系により被検面に投
影する。このとき、投影光学系による面光源の共役位置と被検面との間に所定の間隔が形
成されるように設定しておく。次に、観察光学系のピントを被検面に合わせ、被検面に投
影された面光源像の画像（ピントの外れた画像となる）を取得し、この面光源画像におけ
る歪情報に基づき、被検面の各点における傾斜量を示す局所スロープ情報を求める。そし
て、この局所スロープ情報に基づき被検面の形状情報を求めるものである。
【０００５】
また、これらの構成及び手法を顕微鏡装置に適用することによって、微細な３次元構造
の計測を可能にするマイクロデフレクトメトリも提案されている（例えば、下記非特許文
献２を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】M.C.Knauer,et.al.“Phase Measuring Deflectometry: a new approach to measure specular free-form surafaces ”Proc. SPIE 5457, 366-376 (2004)
【非特許文献２】G.Hausler,et.al.“Deflectometry: 3D-Metrology from Nanometer to meter ”Opt. Lett. Vol.33, 396-398 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述のデフレクトメトリ及びマイクロデフレクトメトリは、被検面上に高さが急激に変
化する部分（以下「段差部」と称する）が存在すると、この段差部の局所スロープ情報を
正しく求めることができないという特性を有しており、このため、段差部を有する被検面
の形状測定においては、段差部の高低差（以下「段差量」と称する）の情報も含めた正確
な形状情報を得ることが難しいという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、段差部を有する鏡面反射性物
体の形状を高精度に測定することが可能な３次元形状測定方法及び装置並びに３次元形状
測定用顕微鏡装置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】
【０００９】
本発明を例示する３次元形状測定方法の一態様は、周期的な強度分布を有する面光源の
像を被検面に投影する投影光学系による前記面光源の共役位置と前記被検面との間に所定
の間隔が形成されるように設定して、前記投影光学系により前記面光源の像を前記被検面
に投影する第１の投影ステップと、前記被検面にピントを合わせた観察光学系により観察
される、前記被検面に投影された前記面光源の像の画像である第１の面光源画像を取得す
る第１の面光源画像取得ステップと、取得された前記第１の面光源画像における歪情報に
基づき、前記被検面の各点における傾斜量を示す局所スロープ情報を求める局所スロープ
情報取得ステップと、求められた前記局所スロープ情報に基づき前記被検面の形状情報を
求める形状情報取得ステップと、を実行した後に、前記投影光学系による前記面光源の共
役位置が前記被検面上に位置するように設定して、前記投影光学系により前記面光源の像
を前記被検面に投影する第２の投影ステップと、前記観察光学系により観察される、前記
被検面に投影された前記面光源の像の画像である第２の面光源画像を取得する第２の面光
源画像取得ステップと、取得された前記第２の面光源画像における歪情報と、前記第１の
面光源画像に基づき求められた前記局所スロープ情報と、該局所スロープ情報に基づき求
められた前記形状情報とに基づき、前記第２の面光源画像の歪情報中に含まれる、前記被
検面が有する段差部の段差量情報を求める段差量情報取得ステップと、求められた前記段
差量情報に基づき前記形状情報を補正する形状情報補正ステップと、を実行することを特
徴とする。
【００１０】
また、本発明を例示する３次元形状測定装置の一態様は、周期的な強度分布を有する面
光源と、前記面光源の像を被検面に投影する投影光学系と、前記投影光学系により前記被
検面に投影された前記面光源の像の画像を取得する観察光学系と、前記観察光学系により
取得された前記面光源の像の画像を解析する解析装置と、を備えた３次元形状装置であっ
て、前記投影光学系による前記面光源の共役位置を調整する面光源共役位置調整手段と、
前記投影光学系の絞り半径を調整する絞り調整手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明を例示する３次元形状測定用顕微鏡装置の一態様は、周期的な強度分布を
有する面光源と、前記面光源の像を前記被検面に投影して該被検面を照明する照明光学系
と、前記照明光学系により前記被検面に投影された前記面光源の像の画像を取得する、対
物レンズを有する観察光学系と、前記観察光学系により取得された前記面光源の像の画像
を解析する解析装置と、を備えた３次元形状測定用顕微鏡装置であって、前記照明光学系
は、前記観察光学系の前記対物レンズを介して前記被検面を照明する同軸落射型のもので
あり、前記照明光学系による前記面光源の共役位置を調整する面光源共役位置調整手段と
、前記照明光学系の絞り半径を調整する絞り調整手段と、前記照明光学系の絞り位置を該
照明光学系の光軸と垂直な方向に調整する絞り位置調整手段と、を備えたことを特徴とす
る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、段差部を有する鏡面反射性物体の形状（被検面の形状）を高精度に測
定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る３次元形状測定装置の局所スロープ情報取得時の構成を示す図である。
【図２】図１に示す３次元形状測定装置による形状計測結果（シミュレーション）と真の形状とを対比するグラフを示す図である。
【図３】図１に示す３次元形状測定装置の段差量情報取得時の構成を示す図である。
【図４】段差量の測定原理を説明する図である。
【図５】段差量の測定解析で用いる変数Ｄの測定値（シミュレーション）のグラフを示す図である。
【図６】段差量の補正を行っていない状態における変数Ｄの計算値（シミュレーション）のグラフを示す図である。
【図７】段差量の補正を行った状態における変数Ｄの計算値（シミュレーション）のグラフを示す図である。
【図８】段差量補正後の形状計測結果（シミュレーション）と真の形状とを対比するグラフを示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る３次元形状測定用顕微鏡装置の局所スロープ情報取得時の構成を示す図である。
【図１０】図９に示す３次元形状測定用顕微鏡装置の段差量情報取得時の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について上記図面を参照しながら説明する。なお、図１及び図
３においては、方向を示すためのＸ軸及びＺ軸を図示しているが、これら２軸に対し垂直
な方向（紙面と垂直な方向）をＹ軸方向（紙面奥側が正）と称する。
【００１５】
〈第１実施形態〉
図１及び図３に示す第１実施形態に係る３次元形状測定装置は、マクロな鏡面反射性物
体（被検面４）の３次元形状を測定するための態様を例示するものであり、周期的な強度
分布を有するインコヒーレントな面光源１と、この面光源１の像（以下「面光源像」と称
する）を被検面４に投影する投影光学系２と、この投影光学系２により被検面４に投影さ
れた面光源像を観察する観察光学系５と、この観察光学系５により観察される面光源像を
撮像するＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる２次元撮像素子６と、この２次元撮像素子６により
撮像された面光源像の画像を解析する解析装置７を備えてなる。
【００１６】
面光源１は、強度分布を制御することが可能な空間変調型の面光源であり、本実施形態
では、一方向に正弦波状の強度分布を有する周期パターンを形成するように構成されてい
る。この面光源１は、例えば、ランプ、パターンマスク等で構成される。パターンマスク
の場合は、透過型の液晶素子等で構成され、電気信号によって強度分布を制御できるよう
に構成される。また、面光源１は、ステージ等からなる面光源共役位置調整手段１１によ
り、投影光学系２に対して移動可能に支持されており、投影光学系２に対する面光源１の
位置を変えることにより、投影光学系２による面光源１の共役位置を調整することが可能
となっている。
【００１７】
投影光学系２は、複数のレンズ（２つのレンズ２１，２３を例示）と、開口絞り２２と
、この開口絞り２２の絞り半径を調整する絞り調整手段２４を備えている。この投影光学
系２は、大きな結像ＮＡを有しており、絞り調整手段２４により開口絞り２２の絞り半径
を調整することによって、結像ＮＡを調節することが可能に構成されている。
【００１８】
観察光学系５は、複数のレンズ（２つのレンズ５１，５３を例示）と開口絞り５２を備
えており、被検面４の像を２次元撮像素子６上の撮像面に形成するように構成されている
。
【００１９】
次に、本発明に係る３次元形状測定方法の一実施形態について説明する。以下では、上
述の第１実施形態に係る３次元形状測定装置に適用した場合を例にとって説明するが、後
述する第２実施形態に係る３次元形状測定用顕微鏡装置に対しても同様に適用することが
可能である。
【００２０】
まず、面光源共役位置調整手段１１により投影光学系２に対する面光源１の位置を調整
することによって、投影光学系２による面光源１の共役位置３と被検面４との間に所定の
間隔が形成されるように設定し、投影光学系２により面光源像を被検面４に投影する（第
１の投影ステップ）。このとき、投影光学系２の開口絞り２２は、絞り調整手段２４によ
り絞り半径が大きく設定されており、これにより、投影光学系２のＮＡが大きくなり、横
分解能が高められる。
【００２１】
次に、観察光学系５のピントを被検面４に合わせ、被検面４に投影された面光源像を観
察光学系５によって取り込み、その面光源像の画像（以下「第１の面光源画像」と称する
）を２次元撮像素子６により撮像する（第１の面光源画像取得ステップ）。投影光学系２
による面光源１の共役位置３が被検面４から離れているため、２次元撮像素子６により撮
像される第１の面光源画像はボケ像となる。
【００２２】
次いで、解析装置７において、取得された第１の面光源画像の歪情報に基づき、被検面
４の各点における傾斜量を示す局所スロープ情報を求め（局所スロープ情報取得ステップ
）、さらに、求められた局所スロープ情報に基づき被検面４の形状情報を求める（形状情
報取得ステップ）。
【００２３】
以上の手順は、従来のデフレクトメトリにおいて行われる手順と同じである。なお、デ
フレクトメトリには定性的に、面光源１の共役位置３と被検面４との間隔が大きいほど、
また、面光源１の周期パターンのピッチが小さいほど、感度及び分解能が高くなるが、面
光源１の共役位置３と被検面４との間隔を大きくし、かつ面光源１の周期パターンのピッ
チを小さくすると、撮像される面光源像の周期パターンのボケがひどくなり、Ｓ／Ｎが低
下するというトレードオフの関係がある。このため、このトレードオフの関係に基づき、
面光源１の周期パターン（正弦波状の強度分布）のピッチと、面光源１の共役位置３と被
検面４との間隔を、適宜調整することが好ましい。
【００２４】
上述の局所スロープ情報及び形状情報を求める手法は従来公知のものと同様であるが、
その原理は以下の通りである。
【００２５】
すなわち、被検面４が完全な平面形状の場合には、正弦波状の強度分布をもつ面光源１
のボケ像に歪はなく、面光源１と同じ位相をもった像が形成される（正弦波状の強度分布
はボケてもその位相は保存される性質を利用している）。これに対し、被検面４が平面形
状からずれている場合、被検面４の各点における傾斜量に対応して面光源像が歪むことに
なる。その歪み状態を解析することにより被検面４の局所スロープ情報を求めることがで
きる。
【００２６】
具体的には、観察光学系５において、被検面４上の各点からの主光線の方向と、被検面
座標（被検面４上に設定された座標）と検出面座標（２次元撮像素子の撮像面上に設定さ
れた座標）との対応関係は、観察光学系５の設計値あるいは校正によって既知となる。さ
らに、投影光学系２により形成される面光源１の像（共役位置３での面光源像）の横座標
（Ｘ軸方向及びＹ軸方向の位置）と、被検面４及び２次元撮像素子６の各横座標との対応
関係は、撮像された第１の面光源画像における周期パターンの歪みから求められるので、
共役位置３での面光源像から被検面４上の各点に向かう光線方向も求まることになる。被
検面４の各点に対して、入射光、射出光の方向が求まるので、各座標における被検面４の
傾斜量を求めることが可能となる。
【００２７】
なお、高精度な測定を行うためには、面光源１の正弦波状の強度分布の位相を、例えば
、０、π／２、π、３π／２と変えて測定を行い、測定毎に撮像された面光源像の画像デ
ータに対し、周知の位相シフト法を用いて解析することが好ましい。また、被検面４の形
状情報を求めるためには、直交する２方向の各々に沿った局所スロープ情報を求める必要
があるので、面光源１で形成する強度分布のパターンの方向をＸ軸方向に揃えた場合とＹ
軸方向に揃えた場合との計２セットのデータ取得を行い、画像解析を行う。画像解析によ
って求めたＸ軸方向及びＹ軸方向の２方向の局所スロープ情報を積分することにより、被
検面４の形状情報を求めることができる。
【００２８】
以上の手順により求められる被検面４の形状情報のシミュレーション結果を図２（縦軸
及び横軸の数値は無単位。以下の図５〜図８において同じ）に示す。被検面４は段差部を
有する形状に設定してある。図２において、点線で表されているのが、予め設定した被検
面４の真の形状であり、実線で表されているのが、シミュレーションで得られた計測結果
である。図２に示すように、これまでのデフレクトメトリにおける測定手法では、段差部
おける局所スロープ情報を正しく求めることができず、その結果、計測データの段差部（
図中の実線が分離した部分）に誤差が重畳してしまうことが分かる。
【００２９】
次に、本発明に係る３次元形状測定方法の特徴部分である、段差部の段差量情報を求め
る手順に移る。
【００３０】
まず、図３に示すように、面光源１の位置を光軸方向にシフトさせることにより、投影
光学系２による面光源１の共役位置が被検面４上に位置するように設定するとともに、図
１に示す態様との比較において、投影光学系２の開口絞り２２の絞り半径を小さくして、
投影光学系２により面光源像を被検面４に投影する（第２の投影ステップ）。
【００３１】
開口絞り２２の絞り半径を小さくすることにより、被検面４への入射光束の指向性が高
くなり、その結果、段差部に対する測定感度は高くなる。一方、開口絞り２２の絞り半径
を小さくすると、投影光学系２のＮＡが小さくなるため、面光源１の周期パターンのピッ
チ（正弦波状の強度分布の周期）を小さくすると解像度が低下してしまう。そこで、被検
面４の形態や、投影光学系２及び観察光学系５の条件等によって、面光源１の周期パター
ンのピッチを必要に応じて適宜変更することが好ましい。
【００３２】
次に、観察光学系５のピントを被検面４に合わせ、被検面４に投影された面光源像を観
察光学系５により取り込み、その面光源像の画像（以下「第２の面光源画像」と称する）
を２次元撮像素子６により撮像する（第２の面光源画像取得ステップ）。
【００３３】
次いで、解析装置７において、取得された第２の面光源画像における歪情報と、先に、
第１の面光源画像に基づき求められた上述の局所スロープ情報と、この局所スロープ情報
に基づき求められた上述の形状情報とに基づき、第２の面光源画像の歪情報中に含まれる
、被検面４が有する段差部の段差量情報を求める（段差量情報取得ステップ）。この段差
量情報取得ステップにおける具体的手順は、以下の通りである。
【００３４】
まず、上記第２の面光源画像における歪情報に基づき、被検面４の各点における高さ量
及び傾斜量との間に所定の関係式（後述する式（４））が成立する所定の変数（後述する
Ｄ）の計測値（後述するＤ（ｘ2））を求める（変数計測値取得ステップ）。
【００３５】
次に、上記第１の面光源画像に基づき求められた上述の局所スロープ情報と、この局所
スロープ情報に基づき求められた上述の形状情報と、上記所定の関係式とに基づき、上記
所定の変数Ｄの計算値（後述するＤa（ｘ2）及びＤb（ｘ2））を求める（変数計算値取得
ステップ）。そして、上記所定の変数の計測値と計算値との差に基づき、被検面４が有す
る段差部の段差量を算出する（段差量算出ステップ）。
【００３６】
この段差量情報取得ステップの終了後、求められた段差量情報に基づき、上述の形状情
報を補正し（形状情報補正ステップ）、段差部を含めた被検面４の形状情報を求める。
【００３７】
ここで、上述の段差量算出ステップにおいて段差量を算出する原理について、図４を参
照しながら説明する。図４では、被検面４の、Ｘ軸方向に沿った断面の一部を太い曲線で
示している。また、投影光学系２の投影角度（投影光学系２の光軸とＺ軸とのなす角度）
をφ、被検面４上の任意の点Ｑにおける傾き量をθ、高さ量をｆ（ｘ1）で示している。
さらに、Ｘ軸上に、投影光学系２による面光源１の共役位置と観察光学系５のピント合致
位置が位置するものとし、このＸ軸を含む紙面に垂直な平面を基準面としている。
【００３８】
図４において、角度φで被検面４上の点Ｑ（ｘ1，ｆ（ｘ1））に入射した光線は、矢印
Ｋの方向に反射される。この光線の２次元撮像素子６への入射位置は、基準面上での点Ｒ
（ｘz，０）に対応する。一方、被検面４が理想的な平面（基準面）で形成されていた場
合、上記光線の２次元撮像素子６への入射位置は、基準面上での点Ｐ（ｘ0，０）に対応
する。すなわち、被検面４上の点Ｑにおける高さ量ｆ（ｘ1）と傾斜量θによって、点Ｐ
から点Ｒへと座標がシフトし、これにより面光源像における正弦波状の強度分布が歪みを
持つことになる。したがって、この歪み量を解析することにより、点Ｐから点Ｒへのシフ
ト量を表す変数Ｄの計測値Ｄ（ｘ2）（＝ｘ2−ｘ1）を求めることができる。今回のシミ
ュレーションで与えた被検面４の形状に対しては、図５に示すようなＤ（ｘ2）のグラフ
（曲線）が得られる。なお、ここでも、上述の位相シフト法を適用することにより、高精
度に歪み量を検出することが可能となり、Ｄ（ｘ2）の計測精度も高くすることができる
。
【００３９】
上述のｘ0，ｘ1，ｘ2，φ，θ，ｆ（ｘ1）の間には、下記の式（１）、式（２）の関係
が成立する。また、θは、ｆ（ｘ1）の微分値ｆ´（ｘ1）として表せるので、下記の式（
３）の関係が成立する。したがって、上記計測値Ｄ（ｘ2）と、被検面４上の点Ｑにおけ
る高さ量ｆ（ｘ1）と傾斜量θ（＝ｆ´（ｘ1））との間には、下記の式（４）の関係が成
立する。
【００４０】
【数１】
【００４１】
一方、上述の局所スロープ情報取得ステップにおいて求められた被検面４の局所スロー
プ情報（詳細には被検面４上の各点における傾斜量）をθｍ、上述の形状情報取得ステッ
プにおいて求められた被検面４の形状情報（詳細には被検面４上の各点における高さ量）
をｆm（ｘ1）とすると、θmとｆm（ｘ1）との間には下記の式（５）の関係が成立する。
【００４２】
θmとｆm（ｘ1）は、段差部を除いては、被検面４の情報を正しく示しているので、段
差部の手前までの被検面４の形状は下記の式（６）により、段差部の後の被検面４の形状
は下記の式（７）により、それぞれ表すことができる。ここで、式（６）中の定数Ｃa、
式（７）の定数Ｃbは、積分の初期値であるとともに、段差部の補正に関わる補正定数で
ある。
【００４３】
【数２】
【００４４】
式（５）〜式（７）の関係を、式（４）にあてはめることにより、上記変数Ｄの計算値
Ｄa（ｘ2）、Ｄb（ｘ2）を算出することができる。算出されたＤa（ｘ2）、Ｄb（ｘ2）と
、上記計測値Ｄ（ｘ2）との差が最小となるように、補正定数Ｃa、Ｃbの値を決定し、決
定された補正定数Ｃa、Ｃbの値を、式（６）及び式（７）に代入することにより、段差量
が補正された被検面４の形状情報を求めることができる。
【００４５】
補正定数Ｃa、Ｃbの値を決定する前の計算値Ｄa、Ｄbは、図６に示す曲線となるが、値
を決定した後は図７に示す曲線となる。また、段差量が補正された被検面４の形状計測結
果も図８に示すように真の形状に近づくことが確かめられた。
【００４６】
〈第２実施形態〉
図９及び図１０に示す本発明の第２実施形態に係る３次元形状測定用顕微鏡装置は、ミ
クロな鏡面反射性物体（被検面４）の３次元形状を測定するための顕微鏡への適用態様を
例示するものであり、周期的な強度分布を有するインコヒーレントな面光源１と、この面
光源１の像（面光源像）を被検面４に投影する照明光学系２Ａ（投影光学系としても機能
する）と、この照明光学系２Ａにより被検面４に投影された面光源像を観察する観察光学
系５と、この観察光学系５により観察される面光源像を撮像するＣＣＤやＣＭＯＳ等から
なる２次元撮像素子６と、この２次元撮像素子６により撮像された面光源像の画像を解析
する解析装置７を備えてなる。
【００４７】
上述の第１実施形態と同様、面光源１は、ステージ等からなる面光源共役位置調整手段
１１により、照明光学系２Ａに対して移動可能に支持されており、照明光学系２Ａに対す
る面光源１の位置を変えることにより、照明光学系２Ａによる面光源１の共役位置を調整
することが可能となっている。
【００４８】
観察光学系５は、複数のレンズ（対物レンズＯＬとレンズ５３を例示）と開口絞り５２
を備えており、被検面４の像を２次元撮像素子６上の撮像面に結像させるように構成され
ている。また、観察光学系５の光軸上にはビームスプリッタＢＳが配置されている。
【００４９】
照明光学系２Ａは、観察光学系５の対物レンズＯＬを介して被検面４を照明する同軸落
射型のものであり、レンズ２１及び開口絞り２２を介して図中左方に導いた面光源１から
の光線を、ビームスプリッタＢＳにより対物レンズＯＬに導き、面光源像を投影するよう
に構成されている。また、この照明光学系２Ａは、開口絞り２２の絞り半径を調整する絞
り調整手段２４と、開口絞り２２の絞り位置を照明光学系２Ａの光軸と垂直な方向に調整
する絞り位置調整手段２５を備えている。
【００５０】
被検面４の局所スロープ情報を求める場合の構成及び手順は、上述の第１実施形態と同
様であるが、本実施形態の場合、傾斜量の検出感度が半減することに注意する必要がある
（前掲の非特許文献２を参照）。
【００５１】
被検面４の段差量情報を求める場合には、図１０に示すように、面光源１の位置を光軸
方向にシフトさせることにより、照明光学系２Ａによる面光源１の共役位置が被検面４上
に位置するように設定するとともに、図９に示す態様との比較において、照明光学系２Ａ
の開口絞り２２の絞り半径を小さくして、照明光学系２Ａにより面光源像を被検面４に投
影する。この点は、上述の第１実施形態と同様である。ただし、本実施形態の場合、開口
絞り２２の絞り半径を小さくするだけではなく、面光源１の周期パターンに対し垂直な方
向（図１０では下方）に絞り位置をシフトさせ、このシフト操作によって被検面４への照
明光の入射角を制御する。被検面４の段差量情報を求める解析方法や原理は上述の第１実
施形態と同様である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 面光源
２ 投影光学系
２Ａ 照明光学系
３ （面光源の）共役位置
４ 被検面
５ 観察光学系
６ ２次元撮像素子
７ 解析装置
１１ 面光源共役位置調整手段
２２，５２ 開口絞り
２４ 絞り調整手段
２５ 絞り位置調整手段
ＯＬ 対物レンズ
ＢＳ ビームスプリッタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的な強度分布を有する面光源の像を被検面に投影する投影光学系による前記面光源
の共役位置と前記被検面との間に所定の間隔が形成されるように設定して、前記投影光学
系により前記面光源の像を前記被検面に投影する第１の投影ステップと、
前記被検面にピントを合わせた観察光学系により観察される、前記被検面に投影された
前記面光源の像の画像である第１の面光源画像を取得する第１の面光源画像取得ステップ
と、
取得された前記第１の面光源画像における歪情報に基づき、前記被検面の各点における
傾斜量を示す局所スロープ情報を求める局所スロープ情報取得ステップと、
求められた前記局所スロープ情報に基づき前記被検面の形状情報を求める形状情報取得
ステップと、を実行した後に、
前記投影光学系による前記面光源の共役位置が前記被検面上に位置するように設定して
、前記投影光学系により前記面光源の像を前記被検面に投影する第２の投影ステップと、
前記観察光学系により観察される、前記被検面に投影された前記面光源の像の画像であ
る第２の面光源画像を取得する第２の面光源画像取得ステップと、
取得された前記第２の面光源画像における歪情報と、前記第１の面光源画像に基づき求
められた前記局所スロープ情報と、該局所スロープ情報に基づき求められた前記形状情報
とに基づき、前記第２の面光源画像の歪情報中に含まれる、前記被検面が有する段差部の
段差量情報を求める段差量情報取得ステップと、
求められた前記段差量情報に基づき前記形状情報を補正する形状情報補正ステップと、
を実行することを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項２】
前記第２の投影ステップでは、前記第１の投影ステップのときと比較して、前記投影光
学系の絞り半径を小さくする、ことを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
【請求項３】
前記段差量情報取得ステップは、
前記第２の面光源画像の歪情報に基づき、前記被検面の各点における高さ量及び傾斜量
との間に所定の関係式が成立する所定の変数の計測値を求める変数計測値取得ステップと
、
前記第１の面光源画像に基づき求められた前記局所スロープ情報と、該局所スロープ情
報に基づき求められた前記形状情報と、前記所定の関係式と基づき、前記所定の変数の計
算値を求める変数計算値取得ステップと、
前記所定の変数の前記計測値と前記計算値との差に基づき、前記被検面が有する段差部
の段差量を算出する段差量算出ステップと、を含むことを特徴とする請求項１または２に
記載の３次元形状測定方法。
【請求項４】
周期的な強度分布を有する面光源と、
前記面光源の像を被検面に投影する投影光学系と、
前記投影光学系により前記被検面に投影された前記面光源の像の画像を取得する観察光
学系と、
前記観察光学系により取得された前記面光源の像の画像を解析する解析装置と、を備え
た３次元形状装置であって、
前記投影光学系による前記面光源の共役位置を調整する面光源共役位置調整手段と、
前記投影光学系の絞り半径を調整する絞り調整手段と、を備えたことを特徴とする３次
元形状測定装置。
【請求項５】
前記投影光学系の前記被検面側の光軸と前記観察光学系の前記被検面側の光軸とが互い
に一致する同軸光学系として構成され、
前記投影光学系の絞り位置を該投影光学系の光軸と垂直な方向に調整する絞り位置調整
手段を備えている、ことを特徴とする請求項４に記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
周期的な強度分布を有する面光源と、
前記面光源の像を前記被検面に投影して該被検面を照明する照明光学系と、
前記照明光学系により前記被検面に投影された前記面光源の像の画像を取得する、対物
レンズを有する観察光学系と、
前記観察光学系により取得された前記面光源の像の画像を解析する解析装置と、を備え
た３次元形状測定用顕微鏡装置であって、
前記照明光学系は、前記観察光学系の前記対物レンズを介して前記被検面を照明する同
軸落射型のものであり、
前記照明光学系による前記面光源の共役位置を調整する面光源共役位置調整手段と、
前記照明光学系の絞り半径を調整する絞り調整手段と、
前記照明光学系の絞り位置を該照明光学系の光軸と垂直な方向に調整する絞り位置調整
手段と、を備えたことを特徴とする３次元形状測定用顕微鏡装置。
【請求項１】
周期的な強度分布を有する面光源の像を被検面に投影する投影光学系による前記面光源
の共役位置と前記被検面との間に所定の間隔が形成されるように設定して、前記投影光学
系により前記面光源の像を前記被検面に投影する第１の投影ステップと、
前記被検面にピントを合わせた観察光学系により観察される、前記被検面に投影された
前記面光源の像の画像である第１の面光源画像を取得する第１の面光源画像取得ステップ
と、
取得された前記第１の面光源画像における歪情報に基づき、前記被検面の各点における
傾斜量を示す局所スロープ情報を求める局所スロープ情報取得ステップと、
求められた前記局所スロープ情報に基づき前記被検面の形状情報を求める形状情報取得
ステップと、を実行した後に、
前記投影光学系による前記面光源の共役位置が前記被検面上に位置するように設定して
、前記投影光学系により前記面光源の像を前記被検面に投影する第２の投影ステップと、
前記観察光学系により観察される、前記被検面に投影された前記面光源の像の画像であ
る第２の面光源画像を取得する第２の面光源画像取得ステップと、
取得された前記第２の面光源画像における歪情報と、前記第１の面光源画像に基づき求
められた前記局所スロープ情報と、該局所スロープ情報に基づき求められた前記形状情報
とに基づき、前記第２の面光源画像の歪情報中に含まれる、前記被検面が有する段差部の
段差量情報を求める段差量情報取得ステップと、
求められた前記段差量情報に基づき前記形状情報を補正する形状情報補正ステップと、
を実行することを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項２】
前記第２の投影ステップでは、前記第１の投影ステップのときと比較して、前記投影光
学系の絞り半径を小さくする、ことを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
【請求項３】
前記段差量情報取得ステップは、
前記第２の面光源画像の歪情報に基づき、前記被検面の各点における高さ量及び傾斜量
との間に所定の関係式が成立する所定の変数の計測値を求める変数計測値取得ステップと
、
前記第１の面光源画像に基づき求められた前記局所スロープ情報と、該局所スロープ情
報に基づき求められた前記形状情報と、前記所定の関係式と基づき、前記所定の変数の計
算値を求める変数計算値取得ステップと、
前記所定の変数の前記計測値と前記計算値との差に基づき、前記被検面が有する段差部
の段差量を算出する段差量算出ステップと、を含むことを特徴とする請求項１または２に
記載の３次元形状測定方法。
【請求項４】
周期的な強度分布を有する面光源と、
前記面光源の像を被検面に投影する投影光学系と、
前記投影光学系により前記被検面に投影された前記面光源の像の画像を取得する観察光
学系と、
前記観察光学系により取得された前記面光源の像の画像を解析する解析装置と、を備え
た３次元形状装置であって、
前記投影光学系による前記面光源の共役位置を調整する面光源共役位置調整手段と、
前記投影光学系の絞り半径を調整する絞り調整手段と、を備えたことを特徴とする３次
元形状測定装置。
【請求項５】
前記投影光学系の前記被検面側の光軸と前記観察光学系の前記被検面側の光軸とが互い
に一致する同軸光学系として構成され、
前記投影光学系の絞り位置を該投影光学系の光軸と垂直な方向に調整する絞り位置調整
手段を備えている、ことを特徴とする請求項４に記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
周期的な強度分布を有する面光源と、
前記面光源の像を前記被検面に投影して該被検面を照明する照明光学系と、
前記照明光学系により前記被検面に投影された前記面光源の像の画像を取得する、対物
レンズを有する観察光学系と、
前記観察光学系により取得された前記面光源の像の画像を解析する解析装置と、を備え
た３次元形状測定用顕微鏡装置であって、
前記照明光学系は、前記観察光学系の前記対物レンズを介して前記被検面を照明する同
軸落射型のものであり、
前記照明光学系による前記面光源の共役位置を調整する面光源共役位置調整手段と、
前記照明光学系の絞り半径を調整する絞り調整手段と、
前記照明光学系の絞り位置を該照明光学系の光軸と垂直な方向に調整する絞り位置調整
手段と、を備えたことを特徴とする３次元形状測定用顕微鏡装置。
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１】
【図３】
【図９】
【図１０】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１】
【図３】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２４７３７（Ｐ２０１３−２４７３７Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６０１０２（Ｐ２０１１−１６０１０２）
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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