JP4066629B2 - 3D shape measurement optical system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は3次元形状測定光学系に関するものであり、例えばスリット照明光学系に特徴のある共焦点検出方式の3次元形状測定光学系に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
3次元形状の測定に用いられる方式の一つとして、共焦点検出方式が知られている。共焦点検出方式にはピンホール方式,スリット方式等があるが、スリット方式によると一度のスキャニングで多点の高さ情報を得ることができるので、3次元形状の測定を高速化するにはスリット方式の方が有利である。ただし、点光源をスリット状に広げるため、単位面積当りの光量が減少するので、測定対象物の反射率が低かったり、光軸に対する被測定面の角度が大きかったりすると、高い測定精度を得ることは困難である。そのため、スリット長手方向に均一で高い光量の照明光が得られ、全長のコンパクトなスリット照明光学系が求められている。照明光をスリット長手方向に伸ばす方法としては、レーザー用のエキスパンダー光学系の使用が一般的である。例えば、欠陥検査装置用のスリット照明光学系として、レンズ群から成るエキスパンダー光学系を含んだものが、特開2000−105203号公報に記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開2000−105203号公報に記載されているように、エキスパンダー光学系をレンズ群で構成すると、スリット長手方向の両端において光束密度の低下が起こり、スリット長手方向の光量が不均一に低下することになる。また、拡大倍率が大きくなるにしたがって、エキスパンダー光学系の全長が長くなってしまう。さらに、コリメータレンズによりコリメートされたレーザービームは、レンズ群から成るエキスパンダー光学系によって、スリット長手方向だけでなくスリット短手方向にも拡大されてしまう。このため、エキスパンドされたコリメート光をスリット状に結像させるスリット結像光学系において所望のNA(Numerical Aperture)を得たい場合には、スリット結像光学系の焦点距離が長くなり、スリット照明光学系の全長が長くなってしまう。
【0004】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、均一で高い光量の照明光が得られるコンパクトなスリット照明光学系を備えた3次元形状測定光学系を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第1の発明の3次元形状測定光学系は、楕円錐体状に広がる照明光を放射する点光源と、その点光源からの照明光をスリット状に結像させるスリット照明光学系と、を備えた3次元形状測定光学系であって、前記スリット照明光学系が、放射する照明光を平行光に変換するコリメータ光学系と、照明光をその楕円状の長軸方向にのみ拡大するアナモルフィックプリズム系と、照明光をその楕円状の短軸方向にのみ結像させるシリンドリカル光学系と、前記アナモルフィックプリズム系のプリズム面に照明光が入射する際の透過率が最大となるように照明光の偏光方向を変換する偏光方向変換素子と、を有することを特徴とする。
【0006】
第2の発明の3次元形状測定光学系は、上記第1の発明の構成において、前記コリメータ光学系により平行光に変換された照明光の光路中に、照明光の結像位置を所望の位置へ微調整するための光軸方向偏向手段が配置されていることを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した3次元形状測定光学系を、図面を参照しつつ説明する。図1に、3次元形状測定光学系の一部を成すスリット照明光学系(9)の構成例を示す。また図2に、図1のスリット照明光学系(9)を備えたスリット共焦点検出方式の3次元形状測定光学系を示す。
【0008】
図1及び図2において、1はレーザーダイオード、2はコリメータレンズ、3は矩形開口板、4はウェッジプリズムペア、5は1/2波長板、6は可変ND(Neutral Density)フィルター、7はアナモルフィックプリズムペア、8はシリンドリカルレンズ、9はスリット照明光学系、10はスリットマスク、11は偏光ビームスプリッター、12は対物光学系、13はXYステージ、14はラインセンサー、15は測定対象物、16は遮光マスクである。また、L1はレーザービーム(照明光)、L2は反射光、AX1はスリット照明光学系(9)の光軸、AX2は対物光学系(12)の光軸である。なお、各図中のX,Y,Zは、光路展開状態において互いに直交する方向を示しており、図1(A)はYZ断面に相当し、図1(B)はXZ断面に相当する。
【0009】
レーザーダイオード(1)は、照明光としてレーザービーム(L1)を放射する点光源である。そして、レーザーダイオード(1)から放射されるレーザービーム(L1)は、楕円錐体状に放射するガウシアンビームである。レーザーダイオード(1)から放射されたレーザービーム(L1)は、コリメータレンズ(2),矩形開口板(3),ウェッジプリズムペア(4),1/2波長板(5),可変NDフィルター(6),アナモルフィックプリズムペア(7)及びシリンドリカルレンズ(8)から成るスリット照明光学系(9)によって、以下に説明するようにスリットマスク(10)の開口位置{すなわちスリット(10h)の位置}でスリット状に結像することになる。
【0010】
レーザーダイオード(1)から放射されたレーザービーム(L1)は、まず回転対称なコリメータ光学系であるコリメータレンズ(2)によって、放射光からコリメート光(すなわち平行光)に変換される。そしてレーザービーム(L1)は、矩形開口板(3)の矩形開口(3h)を通過することにより、必要な光束範囲だけに制限される。図3に、レーザービーム(L1)のビーム形状と、矩形開口(3h)に対応する楕円錐体状ガウシアンビーム使用範囲の断面光量分布(i:光強度,r:ビーム径位置)と、スリット方向(dL,dS)との関係を示す。レーザーダイオード(1)は、図3に示すようにレーザービーム(L1)の楕円の長軸方向がスリット(10h)のスリット長手方向(dL)と一致するように配置されている。これにより、スリット長手方向(dL)の光量分布を概略均一に保ちながら光量利用効率を高めることができる。
【0011】
矩形開口(3h)を通過したレーザービーム(L1)は、ウェッジプリズムペア(4)に入射する。ウェッジプリズムペア(4)は、レーザービーム(L1)の結像位置を所望の位置へ微調整するための光軸方向偏向手段である。このウェッジプリズムペア(4)の鏡筒を光軸(AX1)中心に回転させることにより、スリット状の光源像を微小に平行シフトさせることが可能である。したがって、レーザービーム(L1)位置の微調整により、光学調整時のスリットマスク(10)の位置とスリット結像位置との位置合わせを行うことができる。
【0012】
ウェッジプリズムペア(4)を射出したレーザービーム(L1)は、1/2波長板(5),可変NDフィルター(6),アナモルフィックプリズムペア(7),シリンドリカルレンズ(8)を順に通って、スリット(10h)位置でスリット状の光源像を形成する。1/2波長板(5)は、図1(A),(B)中に示すようにレーザービーム(L1)の偏光方向を90°回転させる偏光方向変換素子である。第1,第2プリズム(7a,7b)から成るアナモルフィックプリズムペア(7)は、レーザービーム(L1)をその楕円状の長軸方向{つまりスリット長手方向(dL)}にのみ拡大するエキスパンダー光学系である。レーザーダイオード(1)は、一般的なレーザーダイオードと同様、その接合面に対して平行な方向(つまり楕円錐体状ビームの短軸方向)に偏光したレーザービーム(L1)を放射し、また前述したように、レーザービーム(L1)の楕円の長軸方向がスリット長手方向(dL)と一致するように配置されている(図3)。したがってレーザービーム(L1)は、1/2波長板(5)によりS偏光からP偏光に変換された状態でアナモルフィックプリズムペア(7)に入射することになる。
【0013】
1/2波長板(5)での偏光方向変換により、アナモルフィックプリズムペア(7)のプリズム面{特に第1,第2プリズム(7a,7b)の各第1面}にレーザービーム(L1)が入射する際の透過率を最大にすることができる。このため、アナモルフィックプリズムペア(7)での光量損失が少なくなり、光量利用の高効率化を達成することができる。さらに、入射角をブリュースター角に近づけることで、プリズム入射面の反射防止膜を不要にすることができる。また、偏光方向がスリット方向と一致するので、効率良くレーザービーム(L1)がスリットを通過することができる。なお、図1には示していないが、1/2波長板(5)のすぐ後に偏光板を配置し、レーザービーム(L1)の偏光方向をより精度良く揃える構成としてもよい。
【0014】
アナモルフィックプリズムペア(7)は、レーザービーム(L1)をスリット長手方向(dL)へのみ拡大することができる。所望のスリット長を得ながらもスリット短手方向(dS)の光束幅は変化しないので、スリット結像光学系であるシリンドリカルレンズ(8)の焦点距離を伸ばすことなく所望のNA(Numerical Aperture)を得ることができ、スリット照明光学系(9)の全長を短くコンパクトにすることができる。図5(A)に示すように、負のシリンドリカルレンズ(G1)と正のシリンドリカルレンズ(G2)から成るレンズ群をエキスパンダー光学系として用いることによっても、一方向への光束拡大は可能である。しかし、アナモルフィックプリズムペア(7)を用いれば、レンズ群(G1,G2)を用いた場合よりも、図5(B)に示すように拡大方向の両端部における光束密度の低下が少なくなる。つまり、レンズ群を用いた場合、収差の小さな光学系を構成することは容易でない。したがってアナモルフィックプリズムペア(7)の使用は、拡大方向であるスリット長手方向(dL)の光量を概略均一に保つことに対しても有効である。
【0015】
可変NDフィルター(6)は、図4に示すように、ガラス基板上にND蒸着膜が形成されたND蒸着部(6a)と、ガラス基板上にND蒸着膜が形成されていないND非蒸着部(6b)と、を有する構造になっている。そして、レーザービーム(L1)がND蒸着部(6a)、ND非蒸着部(6b)のいずれか一方のみを通過するように、レーザービーム(L1)の光路に対してND蒸着部(6a)又はND非蒸着部(6b)を切替挿入することが可能になっている。
【0016】
測定対象物(15)の高さ位置(Z方向)を測定する際、そのスキャニングは往路と復路との2回行われる。往路のスキャニング{測定対象物(15)の低い位置から高い位置へのZ方向のスキャニング}では、レーザービーム(L1)がND非蒸着部(6b)を通過し、復路のスキャニング{測定対象物(15)の高い位置から低い位置へのZ方向のスキャニング}では、レーザービーム(L1)がND蒸着部(6a)を通過する。このように可変NDフィルター(6)を用いてレーザービーム(L1)による照明の明暗を切り替えれば、ラインセンサー(14)による計測のダイナミックレンジを拡大することができ、したがって測定対象物(15)の測定可能な反射率範囲を広げることができる。
【0017】
アナモルフィックプリズムペア(7)によってスリット長手方向(dL)へ拡大されたレーザービーム(L1)は、スリット結像光学系であるシリンドリカルレンズ(8)によって、その楕円状光束断面の短軸方向{つまりスリット短手方向(dS),図1(B)}にのみ結像し、長軸方向{つまりスリット長手方向(dL),図1(A)}にはコリメート状態が保たれる。レーザービーム(L1)の結像位置は、スリットマスク(10)のスリット(10h)位置である。このようにスリット状に結像させてスリットマスク(10)を通過させる、いわゆるクリティカル照明を用いることにより、光量損失を軽減することができる。なお、スリット照明光学系(9)でスリット(10h)位置に光源像を形成する代わりに、その光源像と同様の発散光を放射するスリット光源をスリット(10h)位置に配置してもよい。
【0018】
上記スリット照明光学系(9)は、図2に示すように、対物光学系(12)の光軸(AX2)に対して角度を持って配置されている。つまり、スリット照明光学系(9)の光軸(AX1)が対物光学系(12)の光軸(AX2)に対して傾いた配置になっている。このため、スリットマスク(10)のスリット(10h)を通過したレーザービーム(L1)は、斜入射照明光として対物光学系(12)に入射することになる。ただし、レーザービーム(L1)は対物光学系(12)に入射する前に偏光ビームスプリッター(11)に入射する。偏光ビームスプリッター(11)は、対物光学系(12)に入射する照明光(L1)と対物光学系(12)から射出した反射光(L2)との光路分離を行う偏光分離素子である。照明光としてのレーザービーム(L1)はY方向に偏光しているため、偏光ビームスプリッター(11)に対してS偏光として入射する。したがって、レーザービーム(L1)は光路を対物光学系(12)側へ偏向されることになる。
【0019】
対物光学系(12)は両側テレセントリック光学系であり、照明光(L1)を測定対象物(15)に向けてスリット状に結像させるとともに、測定対象物(15)からの反射光(L2)をラインセンサー(14)に向けてスリット状に結像させる。この対物光学系(12)内には、1/4波長板(12q)が偏光方向変換素子として配置されている。対物光学系(12)に対して斜入射した照明光(L1)は、光軸(AX2)を中心として2分割された一方の領域において1/4波長板(12q)を通過し、測定対象物(15)の被測定面(15s)からの反射光(L2)は、光軸(AX2)を中心として2分割された他方の領域において1/4波長板(12q)を通過する。
【0020】
上記のように1/4波長板(12q)を光路が往復することにより、反射光(L2)の偏光方向は照明光(L1)の偏光方向に対して90°回転したものとなる。その結果、対物光学系(12)を射出した反射光(L2)は、偏光ビームスプリッター(11)に対しP偏光として入射することになる。したがって、反射光(L2)は偏光ビームスプリッター(11)を透過することができ、偏光ビームスプリッター(11)を通過した反射光(L2)はラインセンサー(14)の受光面(14s)に入射する。なお、1/4波長板(12q)を用いて照明光(L1)と反射光(L2)に対する偏光方向変換を行う代わりに、1/2波長板を用いて照明光(L1)又は反射光(L2)に対する偏光方向変換を行う構成としてもよい。
【0021】
ラインセンサー(14)は1次元配列型のCCD(Charge Coupled Device)から成っており、複数の受光素子で構成された受光面(14s)をスリット(10h)の共焦点位置に有するとともに、その受光面(14s)上に測定対象物(15)の像が投影されるように固定配置されている。つまり、スリット(10h)と受光面(14s)は、共に測定対象物(15)に対して共役な位置関係{すなわち対物光学系(12)について光学的に等価な共焦点位置}に配置されているのである。したがって、測定対象物(15)の被測定面(15s)に対して焦点が合っている場合には、その共役位置にあるラインセンサー(14)の受光面(14s)上で反射光(L2)が結像し、反射光(L2)の光量が画素毎に検出されることになる。
【0022】
対物光学系(12)は、その内部に配置されたフォーカスレンズ群(12f)の移動により、像側共役位置{つまり測定対象物(15)側の共役位置}のみを移動させて、測定対象物(15)の高さ方向(Z方向)のスキャニングを行う。このZ方向のスキャニングはフォーカスレンズ群(12f)の移動による簡単な構成で行われるため、スキャニング機構の小型化及びスキャニングの高速化が可能である。またXYステージ(13)は、載置された測定対象物(15)と共にX,Y方向に移動することにより、測定対象物(15)と照明光(L1)とのX,Y方向の相対位置を変化させて、測定対象物(15)に対する測定領域全域の計測を行う。
【0023】
測定対象物(15)の3次元形状の測定において、X方向のサイズは、XYステージ(13)による測定対象物(15)の移動走査により求められ、Y方向のサイズは、対物光学系(12)により受光面(14s)上に投影された像のサイズから求められる。ただし、投影像が受光面(14s)のY方向範囲を超える場合には、XYステージ(13)をY方向に移動させる制御が行われる。一方、Z方向{光軸(AX2)に対して平行な方向}のサイズ(すなわち高さ位置)は、フォーカスレンズ群(12f)を光軸(AX2)に沿って移動させながら、ラインセンサー(14)の各受光素子からの出力変動を読み取り、測定対象物(15)が受光面(14s)で合焦したとき{つまり、被測定面(15s)と受光面(14s)との共役関係の成立により出力がピークになったとき}のフォーカスレンズ群(12f)の位置を検出することにより求められる。したがって、XYステージ(13)で測定対象物(15)を移動させながらフォーカスレンズ群(12f)を移動させると、測定対象物(15)の断面形状が順次検出されて、それを演算することにより測定対象物(15)の3次元形状が測定される。
【0024】
一般的な共焦点光学系により、例えば鏡面と拡散面とが表面に混在するような測定対象物の高さ位置を検出した場合、対物光学系の焦点が被測定面に合っていなくても、拡散面からの拡散反射光が測定対象物に対する照射光路と同様の光路を通ってセンサーに入射し、測定精度に影響を与えることがある。これを図6を用いて説明する。図6(A)は全開口照明の場合、図6(B)は斜入射照明の場合である。いずれの場合も被測定面(15s)は像側共役位置(P2)から外れているが、物体側共役位置(P1)に配置したピンホール板(19)のピンホール(19h)を、拡散反射光(R1,R2)の一部(R1)が通過している。このようにピンホール板(19)を空間フィルターとして配置しても拡散反射光(R1)がピンホール(19h)を通過してしまうため、測定対象物(15)の高さ方向のスキャニング時においてセンサー出力がピークとなる高さ位置を検出する場合に、拡散反射光(R1)がノイズとして測定精度に影響を及ぼし、鏡面と拡散面とで高さ測定データにズレを生じさせてしまう。
【0025】
上記拡散反射光(R1)を遮光する方法としては、測定対象物をセットするステージ面の法線方向に対して光軸を傾斜させて配置した照明光学系と、照明光学系の光軸の正反射方向に光軸を合わせて配置した集光光学系と、で光学構成することにより、上記拡散反射光(R1)をセンサーに入射させない方法が知られている。しかしその構成では、高さ方向にスキャニングする場合に光学系全体又はステージを上下方向に移動させる機構が必要となる。したがって、装置構成が大がかりなものとなるため、スキャニングの高速化に対しては有効でない。
【0026】
図2に示す3次元形状測定光学系では、図7(A),(B)に示すように各像高の照明光(L1)が両側テレセントリックの対物光学系(12)に対して斜入射し(ST:絞り)、図7(C)に示すように対物光学系(12)の光軸(AX2)を中心として2分割された、対物光学系(12)の瞳(EP)の片側領域(A1)のみを通過して被測定面(15s)を照明する。そして、被測定面(15s)からの反射光(L2)は、他方の片側領域(A2)を通過して対物光学系(12)を射出する。問題となる前記拡散反射光(R1)は、照明光(L1)と同様の光路をたどって片側領域(A1)を通ることになるが、図2及び図8に示すように偏光ビームスプリッター(11)とラインセンサー(14)との間に配置されている遮光マスク(16)によって遮光される。このように、測定対象物(15)からの反射光(L2)のうち片側領域(A1)を通過した拡散反射光(R1)は、空間フィルターとしての遮光マスク(16)によって遮光されるため、被測定面(15s)が像側共役位置(P2)から外れている場合でも、拡散反射光(R1)による測定ノイズは軽減され、高さ位置検出精度が向上する。なお、この構成はスリット共焦点検出方式に限らず、ピンホール共焦点検出方式を採用した場合でも有効である。
【0027】
図9(A)〜(C)は全開口照明の場合、図9(D)〜(F)は斜入射照明の場合において、ラインセンサー(14)の受光面(14s)に対するデフォーカス光路の変化(A,D)、その光強度分布の変化(B,E;i:光強度)及び検出光量の変化(C,F;q:光量)をそれぞれ示している。図9(A)〜(C)と図9(D)〜(F)とを比較すると分かるように、斜入射照明光(L1)を用いることによって、受光面(14s)でのデフォーカスに対する入射光量変化のコントラストが良くなり、高さ位置検出精度も向上する。また、照明光(L1)はできるだけ対物光学系(12)の光軸(AX2)から離れた位置を通過するようにした方が、拡散反射光(R1)に対する遮光効果が良くなり、さらに検出光量変化のコントラストも良くなる。
【0028】
図2に示す3次元形状測定光学系では、スリット(10h)位置に形成される光源像の共焦点位置にラインセンサー(14)の受光面(14s)が位置しているが、光量検出位置は、対物光学系(12)に関する光源像の共焦点位置に限らず、対物光学系(12)に関する光源(例えば前記スリット光源を用いた場合)の共焦点位置であってもよく、対物光学系(12)に関する共焦点位置のリレー光学系に関する共役位置であってもよい。図10(A),(B)に、ラインセンサー(14)側にリレー光学系(18)を備えた3次元形状測定光学系を示す。この3次元形状測定光学系の特徴は、スリットマスク(10)の共焦点位置にスリットマスク(17)を配置し、スリットマスク(17)とラインセンサー(14)との間にリレー光学系(18)を配置した点にある。そのほかは図2に示す3次元形状測定光学系と同様の構成になっている。この場合、対物光学系(12)に関するスリット(10h)の共焦点位置にスリット(17h)が位置しており、リレー光学系(18)に関するスリット(17h)の共役位置にラインセンサー(14)の受光面(14s)が位置している。リレー光学系を用いればセンサーの位置に自由度ができ、また被測定部を3次元形状測定用の対物光学系(12)を通して観察する観察光学系(図示しない)も設けるようにできる。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、アナモルフィックプリズム系で照明光の拡大が行われるためスリット照明光学系の小型化が可能となるとともに、収差の小さな光学系が容易にできる。また、偏光方向変換素子で照明光の偏光方向変換が行われるためアナモルフィックプリズム系での光量損失を少なくすることができる。したがって、均一で高い光量の照明光が得られるコンパクトなスリット照明光学系を備えた3次元形状測定光学系を実現することができるので、ダイナミックレンジが全測定領域にわたり一定になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るスリット照明光学系の構成例を模式的に示す光学構成図。
【図2】図1のスリット照明光学系を備えた3次元形状測定光学系を模式的に示す概略構成図。
【図3】レーザービームのビーム形状とその断面光量分布とスリット方向との関係を説明するための図。
【図4】計測システムのダイナミックレンジを拡大するための可変NDフィルターの動作を説明するための図。
【図5】エキスパンダー光学系によるレーザービームのビーム整形を説明するための光路図。
【図6】測定精度に影響を与える拡散反射光の光路を説明するための図。
【図7】瞳面における反射光通過領域と反射光遮光領域との関係を説明するための図。
【図8】図2の3次元形状測定光学系における遮光マスクの配置を示す斜視図。
【図9】ラインセンサーの受光面に対するデフォーカス光路の変化、その光強度分布の変化及び検出光量の変化を説明するための図。
【図10】ラインセンサー側にリレー光学系を備えた3次元形状測定光学系を模式的に示す光学構成図。
【符号の説明】
1 …レーザーダイオード(点光源)
2 …コリメータレンズ(コリメータ光学系)
3 …矩形開口板
3h …矩形開口
4 …ウェッジプリズムペア(光軸方向偏向手段)
5 …1/2波長板(偏光方向変換素子)
6 …可変NDフィルター
7 …アナモルフィックプリズムペア(アナモルフィックプリズム系)
8 …シリンドリカルレンズ(シリンドリカル光学系)
9 …スリット照明光学系
10 …スリットマスク
10h …スリット
11 …偏光ビームスプリッター
12 …対物光学系
14 …ラインセンサー
14s …受光面
15 …測定対象物
15s …被測定面
16 …遮光マスク
L1 …照明光(レーザービーム)
L2 …反射光
AX1 …スリット照明光学系の光軸
AX2 …対物光学系の光軸
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional shape measurement optical system, for example, a confocal detection type three-dimensional shape measurement optical system characteristic of a slit illumination optical system.
[0002]
[Prior art]
A confocal detection method is known as one of methods used for measuring a three-dimensional shape. The confocal detection method includes a pinhole method, a slit method, etc. However, the slit method can obtain multi-point height information with a single scanning operation. The method is more advantageous. However, since the amount of light per unit area decreases because the point light source is expanded in a slit shape, high measurement accuracy can be obtained if the reflectivity of the measurement object is low or the angle of the measured surface with respect to the optical axis is large. It is difficult. Therefore, there is a demand for a compact slit illumination optical system that can obtain illumination light having a uniform and high light quantity in the longitudinal direction of the slit and having a full length. As a method of extending the illumination light in the longitudinal direction of the slit, use of an expander optical system for laser is common. For example, a slit illumination optical system for a defect inspection apparatus that includes an expander optical system including a lens group is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-105203.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-105203, when the expander optical system is configured by a lens group, the light flux density decreases at both ends in the slit longitudinal direction, and the light amount in the slit longitudinal direction decreases unevenly. Will do. Further, as the enlargement magnification increases, the entire length of the expander optical system becomes longer. Further, the laser beam collimated by the collimator lens is expanded not only in the longitudinal direction of the slit but also in the lateral direction of the slit by the expander optical system including the lens group. For this reason, when a desired NA (Numerical Aperture) is to be obtained in a slit imaging optical system that forms an image of expanded collimated light in a slit shape, the focal length of the slit imaging optical system becomes long, and slit illumination optics The total length of the system becomes longer.
[0004]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional shape measurement optical system including a compact slit illumination optical system capable of obtaining uniform and high amount of illumination light. .
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a three-dimensional shape measuring optical system according to a first aspect of the invention forms a point light source that emits illumination light spreading in an elliptical cone shape, and forms an image of the illumination light from the point light source in a slit shape. A slit illumination optical system, a collimator optical system for converting the illumination light emitted by the slit illumination optical system into parallel light, and the elliptical long axis of the illumination light. An anamorphic prism system that expands only in the direction, a cylindrical optical system that focuses the illumination light only in the elliptical minor axis direction, and transmission when the illumination light is incident on the prism surface of the anamorphic prism system And a polarization direction conversion element that converts the polarization direction of the illumination light so as to maximize the rate.
[0006]
A three-dimensional shape measurement optical system according to a second aspect of the present invention is the configuration of the first aspect, wherein an imaging position of the illumination light is set to a desired position in the optical path of the illumination light converted into parallel light by the collimator optical system. An optical axis direction deflecting means for fine adjustment is arranged.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a three-dimensional shape measurement optical system embodying the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration example of a slit illumination optical system (9) that forms part of the three-dimensional shape measurement optical system. FIG. 2 shows a slit confocal detection type three-dimensional shape measurement optical system including the slit illumination optical system (9) of FIG.
[0008]
1 and 2, 1 is a laser diode, 2 is a collimator lens, 3 is a rectangular aperture plate, 4 is a wedge prism pair, 5 is a half-wave plate, 6 is a variable ND (Neutral Density) filter, and 7 is an analog. Morphic prism pair, 8 is a cylindrical lens, 9 is a slit illumination optical system, 10 is a slit mask, 11 is a polarizing beam splitter, 12 is an objective optical system, 13 is an XY stage, 14 is a line sensor, 15 is an object to be measured, Reference numeral 16 denotes a light shielding mask. L1 is a laser beam (illumination light), L2 is reflected light, AX1 is an optical axis of the slit illumination optical system (9), and AX2 is an optical axis of the objective optical system (12). In the drawings, X, Y, and Z indicate directions orthogonal to each other in the optical path development state, FIG. 1A corresponds to the YZ section, and FIG. 1B corresponds to the XZ section.
[0009]
The laser diode (1) is a point light source that emits a laser beam (L1) as illumination light. The laser beam (L1) emitted from the laser diode (1) is a Gaussian beam emitted in an elliptical cone shape. Laser beam (L1) emitted from laser diode (1) is collimator lens (2), rectangular aperture plate (3), wedge prism pair (4), half wavelength plate (5), variable ND filter (6 ), The slit illumination optical system (9) comprising the anamorphic prism pair (7) and the cylindrical lens (8), as described below, the aperture position of the slit mask (10) {ie, the position of the slit (10h)} The image is formed in a slit shape.
[0010]
The laser beam (L1) emitted from the laser diode (1) is first converted from emitted light into collimated light (ie, parallel light) by a collimator lens (2) which is a rotationally symmetric collimator optical system. Then, the laser beam (L1) passes through the rectangular opening (3h) of the rectangular opening plate (3), thereby being limited to a necessary light beam range. Fig. 3 shows the beam shape of the laser beam (L1), the cross-sectional light intensity distribution (i: light intensity, r: beam diameter position) of the elliptical cone-shaped Gaussian beam corresponding to the rectangular aperture (3h), and the slit direction. The relationship with (dL, dS) is shown. As shown in FIG. 3, the laser diode (1) is arranged so that the major axis direction of the ellipse of the laser beam (L1) coincides with the slit longitudinal direction (dL) of the slit (10h). Thereby, it is possible to increase the light amount utilization efficiency while keeping the light amount distribution in the slit longitudinal direction (dL) substantially uniform.
[0011]
The laser beam (L1) that has passed through the rectangular opening (3h) is incident on the wedge prism pair (4). The wedge prism pair (4) is optical axis direction deflection means for finely adjusting the imaging position of the laser beam (L1) to a desired position. By rotating the lens barrel of the wedge prism pair (4) about the optical axis (AX1), it is possible to slightly shift the slit-like light source image in parallel. Therefore, the position of the slit mask (10) at the time of optical adjustment and the slit imaging position can be aligned by fine adjustment of the position of the laser beam (L1).
[0012]
The laser beam (L1) emitted from the wedge prism pair (4) passes through the half-wave plate (5), the variable ND filter (6), the anamorphic prism pair (7), and the cylindrical lens (8) in this order. Then, a slit-like light source image is formed at the slit (10h) position. The half-wave plate (5) is a polarization direction conversion element that rotates the polarization direction of the laser beam (L1) by 90 ° as shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B). The anamorphic prism pair (7) composed of the first and second prisms (7a, 7b) is an expander that expands the laser beam (L1) only in the elliptical long axis direction {that is, the slit longitudinal direction (dL)}. It is an optical system. Like a general laser diode, the laser diode (1) emits a laser beam (L1) polarized in a direction parallel to the joint surface (that is, the minor axis direction of the elliptical cone-shaped beam). As described above, the major axis direction of the ellipse of the laser beam (L1) is arranged so as to coincide with the slit longitudinal direction (dL) (FIG. 3). Therefore, the laser beam (L1) is incident on the anamorphic prism pair (7) in a state converted from S-polarized light to P-polarized light by the half-wave plate (5).
[0013]
By changing the polarization direction at the half-wave plate (5), the laser beam (L1) is applied to the prism surfaces of the anamorphic prism pair (7) (especially the first surfaces of the first and second prisms (7a, 7b)). ) Can be maximized. For this reason, the light quantity loss in the anamorphic prism pair (7) is reduced, and high efficiency of light quantity utilization can be achieved. Furthermore, by making the incident angle close to the Brewster angle, an antireflection film on the prism incident surface can be made unnecessary. Moreover, since the polarization direction coincides with the slit direction, the laser beam (L1) can efficiently pass through the slit. Although not shown in FIG. 1, a polarizing plate may be disposed immediately after the half-wave plate (5) so that the polarization direction of the laser beam (L1) is more accurately aligned.
[0014]
The anamorphic prism pair (7) can expand the laser beam (L1) only in the slit longitudinal direction (dL). While obtaining the desired slit length, the beam width in the slit short direction (dS) does not change, so the desired NA (Numerical Aperture) can be achieved without increasing the focal length of the cylindrical lens (8), which is a slit imaging optical system. And the overall length of the slit illumination optical system (9) can be made short and compact. As shown in FIG. 5A, the light beam can be expanded in one direction also by using a lens group including a negative cylindrical lens (G1) and a positive cylindrical lens (G2) as an expander optical system. However, when the anamorphic prism pair (7) is used, the decrease in the light flux density at both ends in the magnification direction is reduced as shown in FIG. 5 (B), compared with the case where the lens group (G1, G2) is used. . That is, when a lens group is used, it is not easy to configure an optical system with small aberration. Therefore, the use of the anamorphic prism pair (7) is also effective for keeping the light quantity in the slit longitudinal direction (dL), which is the enlargement direction, substantially uniform.
[0015]
As shown in FIG. 4, the variable ND filter (6) includes an ND vapor deposition part (6a) in which an ND vapor deposition film is formed on a glass substrate and an ND non-vapor deposition part in which the ND vapor deposition film is not formed on the glass substrate. (6b). Then, the ND vapor deposition section (6a) or the optical path of the laser beam (L1) is set so that the laser beam (L1) passes only one of the ND vapor deposition section (6a) and the ND non-vapor deposition section (6b). The ND non-deposition part (6b) can be switched and inserted.
[0016]
When the height position (Z direction) of the measurement object (15) is measured, the scanning is performed twice for the forward path and the backward path. In the forward scanning {scanning in the Z direction from the low position to the high position of the measurement object (15)}, the laser beam (L1) passes through the ND non-deposition part (6b) and the scanning of the return path {measurement object ( In the scanning in the Z direction from the high position to the low position in 15), the laser beam (L1) passes through the ND vapor deposition section (6a). In this way, if the light intensity of the laser beam (L1) is switched using the variable ND filter (6), the dynamic range of measurement by the line sensor (14) can be expanded, and therefore the measurement object (15) The measurable reflectance range can be expanded.
[0017]
The laser beam (L1) expanded in the slit longitudinal direction (dL) by the anamorphic prism pair (7) is converted by the cylindrical lens (8), which is a slit imaging optical system, into the short axis direction { That is, the image is formed only in the slit short direction (dS), FIG. 1B, and the collimated state is maintained in the long axis direction {that is, the slit long direction (dL), FIG. 1A}. The imaging position of the laser beam (L1) is the slit (10h) position of the slit mask (10). By using so-called critical illumination that forms an image in a slit shape and passes through the slit mask (10) in this way, light loss can be reduced. Instead of forming a light source image at the slit (10h) position by the slit illumination optical system (9), a slit light source that emits divergent light similar to the light source image may be arranged at the slit (10h) position.
[0018]
As shown in FIG. 2, the slit illumination optical system (9) is disposed at an angle with respect to the optical axis (AX2) of the objective optical system (12). That is, the optical axis (AX1) of the slit illumination optical system (9) is inclined with respect to the optical axis (AX2) of the objective optical system (12). Therefore, the laser beam (L1) that has passed through the slit (10h) of the slit mask (10) enters the objective optical system (12) as obliquely incident illumination light. However, the laser beam (L1) enters the polarization beam splitter (11) before entering the objective optical system (12). The polarization beam splitter (11) is a polarization separation element that performs optical path separation between the illumination light (L1) incident on the objective optical system (12) and the reflected light (L2) emitted from the objective optical system (12). Since the laser beam (L1) as the illumination light is polarized in the Y direction, it is incident on the polarization beam splitter (11) as S-polarized light. Therefore, the laser beam (L1) is deflected in the optical path toward the objective optical system (12).
[0019]
The objective optical system (12) is a double-sided telecentric optical system that forms an image of the illumination light (L1) in a slit shape toward the measurement object (15) and reflects light from the measurement object (15) (L2) Toward the line sensor (14). In the objective optical system (12), a quarter wavelength plate (12q) is disposed as a polarization direction conversion element. Illumination light (L1) obliquely incident on the objective optical system (12) passes through the quarter-wave plate (12q) in one region divided into two with the optical axis (AX2) as the center, and the object to be measured The reflected light (L2) from the measured surface (15s) of (15) passes through the quarter wavelength plate (12q) in the other region divided into two with the optical axis (AX2) as the center.
[0020]
As described above, the polarization direction of the reflected light (L2) is rotated by 90 ° with respect to the polarization direction of the illumination light (L1) by reciprocating the optical path through the quarter-wave plate (12q). As a result, the reflected light (L2) emitted from the objective optical system (12) enters the polarization beam splitter (11) as P-polarized light. Therefore, the reflected light (L2) can pass through the polarizing beam splitter (11), and the reflected light (L2) that has passed through the polarizing beam splitter (11) enters the light receiving surface (14s) of the line sensor (14). . Instead of performing polarization direction conversion on the illumination light (L1) and the reflected light (L2) using the quarter-wave plate (12q), the illumination light (L1) or the reflected light ( It may be configured to perform polarization direction conversion with respect to L2).
[0021]
The line sensor (14) consists of a one-dimensional array type CCD (Charge Coupled Device), and has a light receiving surface (14s) composed of a plurality of light receiving elements at the confocal position of the slit (10h) and receives the light. The measurement object (15) is fixedly arranged so as to project an image on the surface (14s). In other words, the slit (10h) and the light receiving surface (14s) are both arranged in a positional relationship conjugate to the measurement object (15) {that is, a confocal position optically equivalent to the objective optical system (12)}. It is. Therefore, when the surface to be measured (15s) of the measurement object (15) is in focus, the reflected light (L2) on the light receiving surface (14s) of the line sensor (14) at the conjugate position. Is formed, and the amount of reflected light (L2) is detected for each pixel.
[0022]
The objective optical system (12) moves only the image-side conjugate position {that is, the conjugate position on the measurement object (15) side} by moving the focus lens group (12f) disposed therein, and thereby the measurement object. Scan in the height direction (Z direction) of (15). Since the scanning in the Z direction is performed with a simple configuration by moving the focus lens group (12f), the scanning mechanism can be downsized and the scanning speed can be increased. The XY stage (13) moves in the X and Y directions together with the placed measurement object (15), so that the relative position of the measurement object (15) and the illumination light (L1) in the X and Y directions. To measure the entire measurement region for the measurement object (15).
[0023]
In the measurement of the three-dimensional shape of the measurement object (15), the size in the X direction is obtained by moving and scanning the measurement object (15) by the XY stage (13), and the size in the Y direction is determined by the objective optical system (12 ) From the size of the image projected on the light receiving surface (14s). However, when the projected image exceeds the Y direction range of the light receiving surface (14s), control for moving the XY stage (13) in the Y direction is performed. On the other hand, the size (that is, the height position) in the Z direction {direction parallel to the optical axis (AX2)} is determined by moving the focus lens group (12f) along the optical axis (AX2) while moving the line sensor (14 ) When the measurement target (15) is focused on the light receiving surface (14s) (that is, the conjugate relationship between the measured surface (15s) and the light receiving surface (14s) is established) Is obtained by detecting the position of the focus lens group (12f) when the output reaches a peak. Therefore, when the focus lens group (12f) is moved while moving the measurement object (15) on the XY stage (13), the cross-sectional shape of the measurement object (15) is sequentially detected and calculated. The three-dimensional shape of the measurement object (15) is measured.
[0024]
For example, when detecting the height position of an object to be measured such that a mirror surface and a diffusing surface are mixed on the surface by a general confocal optical system, even if the objective optical system is not focused on the surface to be measured, Diffuse reflected light from the diffusing surface may enter the sensor through an optical path similar to the irradiation optical path to the measurement object, and may affect the measurement accuracy. This will be described with reference to FIG. FIG. 6A shows the case of full aperture illumination, and FIG. 6B shows the case of oblique incidence illumination. In either case, the measured surface (15s) is out of the image side conjugate position (P2), but the pinhole (19h) of the pinhole plate (19) placed at the object side conjugate position (P1) is diffusely reflected. A part (R1) of light (R1, R2) passes through. Even when the pinhole plate (19) is arranged as a spatial filter in this way, the diffuse reflected light (R1) passes through the pinhole (19h), so when scanning the measuring object (15) in the height direction. When the height position at which the sensor output reaches a peak is detected, the diffuse reflected light (R1) affects the measurement accuracy as noise, and the height measurement data is shifted between the mirror surface and the diffusion surface.
[0025]
As a method of shielding the diffuse reflected light (R1), an illumination optical system arranged with the optical axis inclined with respect to the normal direction of the stage surface on which the measurement object is set, and the optical axis of the illumination optical system are aligned. There is known a method in which the diffusely reflected light (R1) is not incident on a sensor by optically configuring with a condensing optical system arranged with the optical axis aligned in the reflection direction. However, the configuration requires a mechanism for moving the entire optical system or the stage in the vertical direction when scanning in the height direction. Therefore, the apparatus configuration becomes large and is not effective for increasing the scanning speed.
[0026]
In the three-dimensional shape measurement optical system shown in FIG. 2, the illumination light (L1) at each image height is obliquely incident on the bilateral telecentric objective optical system (12) as shown in FIGS. 7 (A) and (B). (ST: Aperture), as shown in FIG. 7 (C), one side area of the pupil (EP) of the objective optical system (12) divided into two around the optical axis (AX2) of the objective optical system (12) ( The surface to be measured (15s) is illuminated through only A1). Then, the reflected light (L2) from the surface to be measured (15s) passes through the other side area (A2) and exits from the objective optical system (12). The diffuse reflected light (R1) in question follows the same optical path as that of the illumination light (L1) and passes through one side region (A1). However, as shown in FIG. 2 and FIG. ) And the line sensor (14) are shielded from light by a light shielding mask (16). Thus, the diffused reflected light (R1) that has passed through the one side region (A1) of the reflected light (L2) from the measurement object (15) is shielded by the light shielding mask (16) as a spatial filter. Even when the measurement surface (15s) is deviated from the image side conjugate position (P2), measurement noise due to the diffusely reflected light (R1) is reduced, and the height position detection accuracy is improved. This configuration is not limited to the slit confocal detection method, but is effective even when the pinhole confocal detection method is adopted.
[0027]
9A to 9C show the change in the defocus optical path with respect to the light receiving surface 14s of the line sensor 14 in the case of full aperture illumination and FIGS. 9D to 9F show the case of oblique incidence illumination. (A, D), changes in the light intensity distribution (B, E; i: light intensity) and changes in the detected light quantity (C, F; q: light quantity) are shown. As can be seen by comparing FIGS. 9 (A) to 9 (C) and FIGS. 9 (D) to 9 (F), by using obliquely incident illumination light (L1), incidence on the defocus on the light receiving surface (14s). The contrast of the light quantity change is improved, and the height position detection accuracy is improved. Also, if the illumination light (L1) passes through the position away from the optical axis (AX2) of the objective optical system (12) as much as possible, the light shielding effect against the diffuse reflected light (R1) is improved, and further the detected light quantity The change contrast is also improved.
[0028]
In the three-dimensional shape measurement optical system shown in FIG. 2, the light receiving surface (14s) of the line sensor (14) is located at the confocal position of the light source image formed at the slit (10h) position. The confocal position of the light source image related to the objective optical system (12) is not limited to the confocal position of the light source related to the objective optical system (12) (for example, when the slit light source is used). The confocal position related to 12) may be a conjugate position related to the relay optical system. FIGS. 10A and 10B show a three-dimensional shape measuring optical system provided with a relay optical system 18 on the line sensor 14 side. The three-dimensional shape measurement optical system is characterized by a slit mask (17) placed at the confocal position of the slit mask (10), and a relay optical system (18) between the slit mask (17) and the line sensor (14). ) Is placed. Other than that, the configuration is the same as that of the three-dimensional shape measurement optical system shown in FIG. In this case, the slit (17h) is positioned at the confocal position of the slit (10h) related to the objective optical system (12), and the line sensor (14) is positioned at the conjugate position of the slit (17h) related to the relay optical system (18). The light receiving surface (14s) is located. If a relay optical system is used, the position of the sensor can be made flexible, and an observation optical system (not shown) for observing the part to be measured through the objective optical system (12) for three-dimensional shape measurement can be provided.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the illumination light is expanded by the anamorphic prism system, so that the slit illumination optical system can be reduced in size and an optical system with small aberration can be easily achieved. Further, since the polarization direction conversion of the illumination light is performed by the polarization direction conversion element, it is possible to reduce the light amount loss in the anamorphic prism system. Accordingly, a three-dimensional shape measurement optical system including a compact slit illumination optical system capable of obtaining uniform and high illumination light can be realized, and the dynamic range is constant over the entire measurement region.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an optical configuration diagram schematically showing a configuration example of a slit illumination optical system according to the present invention.
2 is a schematic configuration diagram schematically showing a three-dimensional shape measurement optical system including the slit illumination optical system of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the beam shape of a laser beam, its cross-sectional light amount distribution, and the slit direction.
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of a variable ND filter for expanding the dynamic range of a measurement system.
FIG. 5 is an optical path diagram for explaining beam shaping of a laser beam by an expander optical system.
FIG. 6 is a diagram for explaining an optical path of diffusely reflected light that affects measurement accuracy.
FIG. 7 is a diagram for explaining a relationship between a reflected light passage region and a reflected light shielding region on a pupil plane.
8 is a perspective view showing the arrangement of light shielding masks in the three-dimensional shape measurement optical system of FIG. 2. FIG.
FIG. 9 is a diagram for explaining a change in a defocus optical path with respect to a light receiving surface of a line sensor, a change in its light intensity distribution, and a change in a detected light amount.
FIG. 10 is an optical configuration diagram schematically showing a three-dimensional shape measurement optical system including a relay optical system on the line sensor side.
[Explanation of symbols]
1 ... Laser diode (point light source)
2 ... Collimator lens (collimator optical system)
3 ... Rectangular aperture plate
3h… Rectangular opening
4 ... Wedge prism pair (optical axis deflection means)
5… 1/2 wavelength plate (polarization direction conversion element)
6 ... Variable ND filter
7… Anamorphic prism pair (anamorphic prism system)
8… Cylindrical lens (cylindrical optics)
9… Slit illumination optical system
10… Slit mask
10h… slit
11… Polarizing beam splitter
12 Objective optical system
14… Line sensor
14s… Light receiving surface
15… Measurement object
15s… surface to be measured
16 ... Shading mask
L1 ... Illumination light (laser beam)
L2 ... Reflected light
AX1 ... Optical axis of slit illumination optical system
AX2 ... Optical axis of objective optical system

Claims (2)

楕円錐体状に広がる照明光を放射する点光源と、その点光源からの照明光をスリット状に結像させるスリット照明光学系と、を備えた3次元形状測定光学系であって、
前記スリット照明光学系が、放射する照明光を平行光に変換するコリメータ光学系と、照明光をその楕円状の長軸方向にのみ拡大するアナモルフィックプリズム系と、照明光をその楕円状の短軸方向にのみ結像させるシリンドリカル光学系と、前記アナモルフィックプリズム系のプリズム面に照明光が入射する際の透過率が最大となるように照明光の偏光方向を変換する偏光方向変換素子と、を有することを特徴とする3次元形状測定光学系。
A three-dimensional shape measurement optical system comprising: a point light source that emits illumination light spreading in an elliptical cone shape; and a slit illumination optical system that forms an illumination light from the point light source in a slit shape,
The slit illumination optical system includes a collimator optical system that converts radiated illumination light into parallel light, an anamorphic prism system that expands illumination light only in the major axis direction of the ellipse, and illumination light that is elliptical. A cylindrical optical system that forms an image only in the minor axis direction, and a polarization direction conversion element that converts the polarization direction of the illumination light so that the transmittance when the illumination light enters the prism surface of the anamorphic prism system is maximized And a three-dimensional shape measuring optical system.
前記コリメータ光学系により平行光に変換された照明光の光路中に、照明光の結像位置を所望の位置へ微調整するための光軸方向偏向手段が配置されていることを特徴とする請求項1記載の3次元形状測定光学系。The optical axis direction deflecting means for finely adjusting the imaging position of the illumination light to a desired position is disposed in the optical path of the illumination light converted into parallel light by the collimator optical system. Item 3. The three-dimensional shape measurement optical system according to Item 1.
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