非接触光学式3D形状測定の原理

焦点移動方式は、被写界深度が小さな光学系を用いて、Z方向にスキャンを行い、対象物表面の顕微鏡画像を連続的に撮像します。この画像をアルゴリズムで解析し、焦点の合った座標を抽出し、Z方向に積層することで3次元形状を取得します。この技術の特長は、高い測定傾斜(最大86°)、最も高速(3 mm/s)、広い垂直測定範囲です。全焦点法とも呼ばれます。

レーザー顕微鏡として広く知られている方式で、光学系の光路に開口（ピンホール、スリットなど）を設けることで、焦点の合っていない焦点外れの光を検出せず、サンプル表面の焦点の合っている点からの反射を効率良く検出することができます。そのため焦点移動法よりノイズの少ない信号を得ることができ、分解能を高めることができます。測定用のビームまたは開口を、機械的またはデジタル的に走査して得られた2D像を、高さ方向に積層することにより、3次元形状を取得します。右図は、ピンホール式共焦点方式の典型的な光学系です。
共焦点法は、滑らかな表面から非常に粗い面まで、様々な表面を測定できます。最高の横方向解像度を提供し、ライン＆スペースは最高0.14μmです。空間サンプリングは0.01μmまで低減でき、厳密な寸法測定に最適です。高いNA値（0.95）および倍率(150X)の対物レンズが利用可能で、70°を超える急峻な局所傾斜を持つ滑らかな表面（粗い表面の場合は最大86°）の測定に適用できます。

光源から出た光は2つの光路に分けられ、一方はリファレンスミラーで反射され、他方は、サンプル表面で反射されます。2つのビームは同一光路に戻り、重なり合うと、空間干渉パターン（干渉縞）が得られます。干渉縞は2つのビームの光路差の情報をもっており、Z方向にスキャンした際に得られる連続した干渉縞像から表面の高さを高分解能に計測することができます。光干渉法の垂直分解能は、対物レンズのNA、倍率に依存しないため、低倍率(2.5X)を用いれば、同じ高さ解像度で広い視野を一括で測定することができます。

PSI 位相シフト干渉法は、滑らかで連続的な面の表面高さを0.1nm以下の分解能で測定します。Sensofarのシステムは0.01nmの垂直分解能を実現しました。
CSI 垂直走査型低コヒーレンス干渉法は、白色光を用いて滑らかな面からやや粗い面の表面高さをスキャンし、すべてのレンズ倍率において1nmの高さ分解能を達成します。