CN101542352A - 图像测量设备 - Google Patents

Abstract

一种满足下面的表达式(1)的蝇眼积分器被用于照明系统：Φ×φ/f＞M×D_L×NA_L (1)。其中，Φ是与蝇眼积分器的出射端面内接的圆的直径；φ是与构成蝇眼积分器的每个透镜元件的端面内接的圆的直径；f是构成蝇眼积分器的每个透镜元件的焦距；M是成像光学系统的变焦变倍比，D_L是对于成像光学系统变焦低倍侧所需要的视场直径，以及NA_L是对于成像光学系统变焦低倍侧必要的数值孔径。因此，可以提供图像测量设备，其可以防止从低变倍到高变倍的不足的NA和视场的不均匀。

Description

图像测量设备

技术领域

本发明涉及一种光学类型图像测量设备，其测量样品，诸如机械部件和半导体芯片。

背景技术

传统地，作为测量样品的工件的形状尺寸的测量设备，测量显微镜或图像测量设备普及广泛。在这种测量设备中，放置在可水平移动的平台上的样品被放大并且通过光学系统被投影到图像摄取设备，并且，通过利用投影像被转换成的图像信号，来测量样品的表面形状、缺陷检查、坐标和尺寸。例如，日本专利特开No.11-183124(专利文献1)公开了这种测量设备。

通常，测量设备包括透射照明和顶置式照明，它们是照明系统，并且顶置式照明被专门用于测量诸如机械部件这样的透明对象时。顶置式光照明包括卤素灯、集光透镜、和聚光透镜，并且物体以远心的方式通过物镜被照明。

专利文献1：日本专利特开No.11-183124

发明内容

本发明要解决的问题

另一方面，成像光学系统包括物镜和成像透镜，并且样品的图像形成在图像摄取装置上。存在一种众所周知的设备，其包括可以根据样品的尺度改变倍率的变焦光学系统。

在包括变焦光学系统的设备的照明中，需要如此的照明光，即，其中在变焦低倍侧的宽广视场和在变焦高倍侧的高NA之间建立平衡。然而，在传统的顶置式照明系统中，不幸的是，在变焦高倍侧的NA不足，或者在变焦低倍侧的视场的附近变暗。近来，随着LED的广泛普及，LED被越来越多地采用为照明光学系统的光源。与卤素灯相比，LED具有诸如低功耗、恒定色温、和快速响应的多种优点。然而，因为发光区域小于卤素灯的发光区域，上述问题变得更加明显。

根据上述，本发明的目的是提供一种包括变焦光学系统的图像测量设备，其中利用顶置式照明，可以防止在从变焦低倍到变焦高倍的范围中的NA的不足和不均匀视场，在所述顶置式照明中，使用诸如LED这样的小面积光源。

解决问题的装置

根据本发明的第一方面，图像测量设备包括：成像光学系统，从样品侧起包括物镜和变焦光学系统；以及照明光学系统，从光源侧起包括光源和蝇眼积分器，所述照明光学系统通过所述物镜照明所述样品，其中，所述蝇眼积分器满足表达式(1)：

Φ×φ/f＞M×D_L×NA_L    (1)

其中，Φ是在蝇眼积分器的出射端面中内接的圆的直径，

φ是在构成蝇眼积分器的每个透镜元件的端面中内接的圆的直径，

f是构成蝇眼积分器的每个透镜元件的焦距，

M是成像光学系统的变焦变倍比，

D_L是对于成像光学系统变焦低倍侧必要的视场直径，以及

NA_L是对于成像光学系统变焦低倍侧必要的数值孔径。

根据本发明的第二方面，在根据第一方面的图像测量设备中，蝇眼积分器进一步满足表达式(2)和(3)：

φ/f＞D_L/F            (2)

φ＜NA_L×F            (3)

其中F是物镜的焦距。

根据本发明的第三方面，根据第一方面的图像测量设备包括在所述物镜和所述蝇眼积分器之间的照明中继透镜。

根据本发明的第四方面，根据第三方面的图像测量设备中，蝇眼积分器进一步满足表达式(2’)和(3’)：

φ/(f×B)＞D_L/F          (2’)

φ×B＜NA_L×F            (3’)

其中F是物镜的焦距，以及

B是中继透镜倍率。

发明效果

因此，本发明可以提供包括变焦光学系统的图像测量设备，在所述图像测量设备中，利用顶置式照明，可以防止在从变焦低倍到变焦高倍的范围中的NA的不足和不均匀视场，在所述顶置式照明中，使用诸如LED这样的小面积光源。

附图说明

图1是示意性地示出根据本发明的第一实施例的图像测量设备的视图。

图2是示出传统照明光学系统的视图。

图3是蝇眼积分器的示意图。

图4是示出蝇眼的数值孔径和照明区域之间的关系的视图。

图5是用于说明蝇眼之间的间隔的限制的视图。

图6是说明根据本发明的第二实施例的图像测量设备的示意图。

字母或数字的说明

1LED光源

2集光透镜

3蝇眼积分器

4扩散板

5折叠式反射镜

6偏光板

7偏光分束器

8消光滤光器

9物镜

101/4波板

11样品

12变焦光学系统

13检偏器

14成像透镜

15CCD

16激光二极管

17泛光灯透镜

18光接收透镜

19二分割传感器

20孔径光阑

21光源

22聚光透镜

23透镜元件

24照明中继透镜

25视场光阑

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的示例性实施方式。图1是示意性地示出根据本发明的第一实施例的图像测量设备的视图。通过集光透镜2使从LED 1出射的光平行，并且所述光入射到蝇眼积分器3。蝇眼积分器3设置在物镜9的焦点位置处以执行远心照明。

在通过扩散板4之后，从蝇眼积分器3出射的光通量的光学路径被折叠式反射镜5改变，在通过偏光板6之后，光通量被偏光分束器7的涂层反射，并且光通量被引导进入成像光学系统。同时，过量的光通量被孔径光阑20阻挡。然后，光通量通过物镜9和1/4波板10，并且利用光通量照明样品11。

在通过1/4波板10和物镜9之后，从样品11衍射的光透射通过偏光分束器7的涂层，并且光入射到变焦光学系统12。变焦光学系统12具有根据样品11的尺寸改变光学系统的成像倍率的功能。然后，光透射通过检偏器13，并且由成像透镜14将样品的图像形成在CCD 15上。依次设置偏光板6、偏光分束器7、消光滤光器8、1/4波板10和检偏器13，从而减小由来自棱镜、物镜等的表面反射引起的噪声。下面将介绍偏光板6、偏光分束器7、消光滤光器8、1/4波板10和检偏器13的功能。

偏光板6被设置为朝向如此的方向，即，在所述方向上，在垂直于纸张表面的方向上的线偏振光可以透射通过偏光板6。检偏器13被设置为朝向如此的方向，即，在所述方向上，在平行于纸张表面的方向上的线偏振光可以透射通过检偏器13。透射通过偏光板6的光变成在垂直于纸张表面的方向上的线偏振光，并且光被偏光分束器7反射。轻微地透射通过偏光分束器7的分量被消光滤光器8吸收。从棱镜和物镜的表面反射的光是在垂直于纸张表面的方向上的线偏振光，并且因此，大部分光不能以直线行进通过偏光分束器7。因为以直线行进的部分泄漏的分量不能透射通过检偏器13，所以表面反射光不能到达CCD 15。

另一方面，样品被透射穿过1/4波板10的照明光照明，并且从样品衍射的光再次透射穿过1/4波板。在两次透射穿过1/4波板的光中，在垂直于纸张表面的方向上的线偏振光旋转90度，从而变成平行于纸张表面的方向上的线偏振光。因此，从样品11反射的光可以透射通过偏光分束器7和检偏器13，从而到达CCD 15。透射通过检偏器13的光变成线偏振光。因此，当彩色三CCD照相机被用作CCD 15时，为了避免线偏振光的不良效应，理想地，将1/4波板(未示出)设置在检偏器的背后以将线偏振光转换成圆偏振光。

光学系统还包括自动聚焦系统。从激光二极管16出射的光通过泛光灯透镜17被聚集到样品上。从样品反射的光透射通过光接收透镜18，并且在二分割传感器19上成像。当样品的位置竖直地移动时，在传感器上的图像水平地移动，这使得自动聚焦得以实现。在第一实施例中采用斜入射型自动聚焦。另一方面，在其中物镜9具有相对大的数值孔径的情形中，也可以使用刀口型(knife-edge type)自动聚焦。在刀口型自动聚焦中，透射通过物镜9的光的一半被隐蔽在光瞳上。

在本发明的变焦低倍侧，假设D_L是必要的视场直径，NA_L是必要的数值孔径，并且M是必要的变焦变倍比。这里，将对于变焦高倍侧必要的视场直径D_H表示如下：

D_H～D_L/M

因为非线性地移动的光学元件存在于变焦光学系统中，所以为了不产生光束的遮蔽，对于变焦高倍侧必要的数值孔径NA_H被经验地表示如下：

NA_H～NA_L×M/2                    (4)

例如，本发明的变焦光学系统设计如下：

(1)M＝10，NA_L＝0.027，并且NA_H＝0.11，

(2)M＝7，NA_L＝0.024，并且NA_H＝0.08

在情形(1)中，由表达式(4)的右侧计算的高倍数值孔径NA变成0.135，而在情形(2)中，高倍数值孔径NA变成0.084。因此，结论是，表达式(4)的近似基本成立。

图2示出了传统的照明光学系统。传统地，通过将聚光透镜22与集光透镜2结合而形成照明系统。假设A是发光尺寸，而NA_S是光源的数值孔径，为了防止在从变焦低倍到变焦高倍的范围中NA的不足和不均匀视场，光源21应该满足的条件被表示如下：

A×NA_s＞D_L×NA_H

将表达式(4)代入该条件，从而获得表达式(5)：

A×NA_S＞M×D_L×NA_L/2                            (5)

然而，在具有大的变倍比的变焦光学系统中，表达式(5)的右侧过度增加，并且基本找不到满足表达式(5)的光源。当与卤素灯相比具有诸如低功耗、恒定色温、和快速响应的多种优点的LED被用作光源时，因为LED通常具有比卤素灯的尺寸更小的尺寸A，所以更加难以满足表达式(5)。

例如，在具有10倍的变焦变倍比、0.027的低倍NA、和17mm的低倍视场直径的光学系统中，假设LED被用作光源，同时具有1.5mm的发光尺寸(方形)和0.77的数值孔径。在0.77的数值孔径下，光量减少到55％。当将这些数值代入表达式(5)时，表达式(5)的右侧变成大约2.3，并且左侧变成大约1.2，即使光被使用直到光量减少到百分之55。因此，表达式(5)根本不成立，并且不利地，在变焦低倍侧，视场的附近变暗，或者，在高倍侧，NA变得不足。

考虑如此的情形，即其中使用作为本发明的区别部分的蝇眼积分器3。图3是蝇眼积分器3的示意图。蝇眼积分器3包括很多透镜元件23。图3示出了其透镜元件具有六边形形状的蝇眼积分器。然而，透镜元件可以具有方形的或圆形的形状。假设Φ是内接蝇眼积分器的圆的直径，φ是内接构成蝇眼积分器的透镜元件的圆的直径，并且f是焦距。

平行于蝇眼积分器入射的光通量由每个透镜元件聚集，并且在每个元件的输出端面中形成光源图像。因此，获得具有光源尺寸Φ的伪光源，并且从伪光源出射的光的数值孔径变成NA_FI＝φ/2f。当NA_FI＝φ/2f的数值孔径被应用到表达式(5)时，获得A＝Φ和NA_S＝NA_FI＝φ/2f。蝇眼积分器应该满足的条件由表达式(1)表示：

Φ×φ/f＞M×D_L×NA_L                            (1)

因此，当Φ和φ增加而f减小时，表达式(1)的左侧可以增加。在这种情形下，伪光源的整个表面不发射光，而是只有位于每个元件的中心的光源图像发射光。然而，没有实际的问题。即，发光点离散地分布于伪光源中。在其中蝇眼积分器的Φ过大的情形中，没有必要照明蝇眼积分器的整个表面，但是通过只使用蝇眼积分器的一部分，表达式(1)的左侧可以明显地减小。在这点上，根据机械限制的观点，可以偏心地设置蝇眼积分器。

在其中使用蝇眼积分器的情形中，必要的是选择至少满足表达式(1)的蝇眼积分器。在第一实施例中，因为蝇眼的出射光被直接入射到物镜，所以如下所述，通过满足表达式(1)不能完全地实现有效的照明。

因为从蝇眼出射的光的数值孔径被转换成照明场，所以除非照明场满足在变焦低倍侧的视场直径D_L，否则低倍视场的附近变暗。在图4中，假设A是每个蝇眼(透镜元件)的射出点、NA_FI＝sinα、并且F是物镜9的焦距，则从图4的关系得到下面的关系：

NA_FI×F＞D_L/2

当将NA_FI＝φ/2f代入NA_FI×F＞D_L/2时，获得表达式(2)：

φ/f＞D_L/F                        (2)

因为在变焦低倍侧必要的数值孔径NA_FI较小，所以，在位于蝇眼积分器的端面的伪光源中利用区减小，并且元件的重叠效应恶化。为了减小不均匀，从一个蝇眼(透镜元件)的射出点A出射的光和从相邻蝇眼(透镜元件)的射出点B出射的光需要在照射表面内重叠，如在图5中所示。由于NA_L＝sinβ，所以根据图5的关系，必须满足下面的表达式(3)：

φ＜NA_L×F                        (3)

即使满足表达式(3)，因为在变焦低倍侧蝇眼积分器的重叠效应较弱，所以散景(bokeh)变得不自然。需要扩散板解决该问题。

例如，考虑的是，具有10倍的变焦变倍比、0.027的低倍NA、17mm的低倍视场直径、和90mm的物镜焦距的光学系统与蝇眼积分器结合。蝇眼积分器具有40mm的器件尺寸，每个元件具有2mm的尺寸，并且每个元件具有7mm的焦距。表格1表示数值被代入表达式(1)、(2)和(3)中的结果。

[表格1]

	左侧	右侧	满足？
				表达式(1)	11.4	4.6	OK
表达式(2)	0.29	0.19	OK
				表达式(3)	2	2.4	OK

该结果满足所有条件，并且利用蝇眼积分器可以形成如此的光学系统，即，其中，防止了在从变焦低倍到变焦高倍的范围中的NA的不足和不均匀视场。

图6是示出根据本发明的第二实施例的图像测量设备的示意图。在图6中，使用相同的附图标记表示与图1中的部件相同的部件。图6的实施例与图1的实施例的不同之处只在于照明中继透镜24和视场光阑25位于蝇眼积分器3的背后。因此，省略相同部件的描述，并且将只描述不同的部件。

因为在图1的第一实施例中不能设置视场光阑，所以不利地，照明场变大到超过引起杂散光的需要，或者照明场的形状变成构成蝇眼积分器的每个元件的端面的形状。在第二实施例中，利用中继透镜24可以形成对样品11的点共轭，并且视场光阑25可以设置在共轭点处。因此，可以解决上述问题。因为中继透镜的使用改变了倍率，所以，假设B是中继透镜的倍率，获得下面的表达式：

NA_FI→NA_FI/B，即，φ/(2×f)→φ/(2×f×B)

φ→φ×B

假设B是中继透镜的倍率，表达式(2)和(3)的条件改变如下：

φ/(f×B)＞D_L/F                          (2’)

φ×B＜NA_L×F                            (3’)

表达式(2’)和(3’)表明，即使因为蝇眼积分器不满足表达式(2)和(3)而在第一实施例的光学系统中不能使用蝇眼积分器，在利用具有缩小倍率的中继透镜的第二实施例中，也可以使用蝇眼积分器。即，第二实施例也具有扩展蝇眼积分器的应用的效应。

例如，考虑的是，具有10倍的变焦变倍比、0.027的低倍NA、17mm的低倍视场直径、和90mm的物镜焦距的光学系统与蝇眼积分器结合。蝇眼积分器具有45mm的器件尺寸，每个元件具有3mm的尺寸，并且每个元件具有20mm的焦距。表格2表示数值被代入表达式(1)、(2)和(3)中的结果。

[表格2]

	左侧	右侧	满足？
				表达式(1)	6.8	4.6	OK
表达式(2)	0.15	0.19	NG
				表达式(3)	3	2.4	NG

结果，表达式(2)和(3)不满足。当在第一实施例的图像测量设备中使用蝇眼积分器时，产生如下问题，诸如NA的不足以及在视场的周边的光量的减少。在该情况下，当采用第二实施例时，其中，具有0.7倍的倍率的照明中继透镜与蝇眼积分器一起使用，通过代入表达式(1)、(2’)和(3’)获得表格3的结果。

[表格3]

	左侧	右侧	满足？
				表达式(1)	6.8	4.6	OK
表达式(2’)	0.21	0.19	OK
				表达式(3’)	2.1	2.4	OK

因此，满足所有条件，并且利用蝇眼积分器和照明中继透镜可以形成如此的光学系统，即其中防止了在从变焦低倍到变焦高倍的范围中的NA的不足和不均匀视场。即，即使对于不能被用于第一实施例的图像测量设备中的蝇眼积分器，通过第二实施例的图像测量设备的布局，也可以使用蝇眼积分器，并且可以扩展蝇眼积分器的应用。

Claims (4)

1.一种图像测量设备，包括：

成像光学系统，所述成像光学系统从样品侧起包括物镜和变焦光学系统；以及

照明光学系统，所述照明光学系统从光源侧起包括光源和蝇眼积分器，所述照明光学系统通过所述物镜照明所述样品，

其中所述蝇眼积分器满足表达式(1)：

Φ×φ/f＞M×D_L×NA_L    (1)

其中Φ是在蝇眼积分器的出射端面中内接的圆的直径，

φ是在构成蝇眼积分器的每个透镜元件的端面中内接的圆的直径，

f是构成蝇眼积分器的每个透镜元件的焦距，

M是成像光学系统的变焦变倍比，

D_L是对于成像光学系统变焦低倍侧必要的视场直径，并且

NA_L是对于成像光学系统变焦低倍侧必要的数值孔径。

2.根据权利要求1所述的图像测量设备，其中所述蝇眼积分器进一步满足表达式(2)和(3)：

φ/f＞D_L/F    (2)

φ＜NA_L×F    (3)

其中F是物镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的图像测量设备，包括在所述物镜和所述蝇眼积分器之间的照明中继透镜。

4.根据权利要求3所述的图像测量设备，其中所述蝇眼积分器进一步满足表达式(2’)和(3’)：

φ/(f×B)＞D_L/F         (2’)

φ×B＜NA_L×F           (3’)

其中F是物镜的焦距，并且

B是中继透镜的倍率。

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