CN103673887B

CN103673887B - 共聚焦计测装置

Info

Publication number: CN103673887B
Application number: CN201310226389.7A
Authority: CN
Inventors: 松井优贵; 藤原直树; 菅孝博
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2017-07-18
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: KR101534912B1; JP5994504B2; EP2708934A1; JP2014055920A; CN103673887A; EP2708934B1; KR20140035795A

Abstract

本发明提供一种能够达到高计测精度的共聚焦计测装置。共聚焦计测装置（101）具有：光源（21），其出射多个波长的光；衍射透镜（1），其使来自光源（21）的光产生色像差；物镜（2），其将产生了色像差的光聚集到计测对象物（200）；针孔（光纤（11）），其使聚焦的光通过；测定部（光谱仪（23）及摄像元件（24）），其针对不同的波长测定光的强度。衍射透镜（1）具有形成有用于产生色像差的衍射图案的衍射面（1a）和位于衍射面（1a）的相反一侧的平面（1b）。在衍射透镜（1）的平面（1b）配置有以衍射透镜（1）的光轴（X）为中心的圆形的遮光膜（4）。

Description

共聚焦计测装置

技术领域

本发明涉及一种利用共聚焦光学系统来计测计测对象物的位移的共聚焦计测装置。

背景技术

在例如美国专利第5785651号说明书（专利文献1）中，公开了以非接触的方式计测计测对象物的位移的计测装置中的利用共聚焦光学系统计测计测对象物的位移的共聚焦计测装置。

在专利文献1中公开的共聚焦计测装置利用衍射透镜，使从光源出射的光沿着光轴产生色像差。在专利文献1中公开的共聚焦计测装置将光纤用作从光源到准直透镜为止的光路及从准直透镜到光谱仪为止的光路。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第5785651号说明书

计测位移的装置例如用于产品检查等。根据产品不同，其形状、材料等也会不同。因此，要求位移计测装置不受这些因素的影响，而发挥很高的计测性能。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能够达到很高的计测精度的共聚焦计测装置。

基于本发明的一个技术方案的共聚焦计测装置，是利用共聚焦光学系统来对计测对象物的位移进行计测的共聚焦计测装置，具有：光源，其出射多个波长的光；衍射透镜，具有形成有用于产生色像差的衍射图案的衍射面和位于衍射面的相反一侧的平面，使从光源出射的光沿着光轴方向产生色像差；物镜，其配置在比衍射透镜更靠近计测对象物的一侧，将在衍射透镜产生了色像差的光聚集到计测对象物；针孔，其使利用物镜聚集的光中的在计测对象物聚焦的光通过；测定部，其针对每个波长，测定通过了针孔的光的强度。衍射透镜具有以衍射透镜的光轴为中心的轴对称形状的减光部。在上述结构中，“减光”不仅是指减弱光的意思，还包括遮断光（遮光）的意思。

优选地，减光部包括遮光膜，遮光膜形成于衍射透镜的平面。

优选地，形成有减光部的衍射透镜的平面朝向针孔。衍射透镜的衍射面朝向物镜。

优选地，减光部由固定于衍射透镜的平面的涂料构成。

优选地，减光部由固定于衍射透镜的平面的金属膜构成。

优选地，在衍射面设置有呈环状的衍射图案。减光部为被衍射图案包围的配置在衍射面的中央的平面。

优选地，减光部的面积在衍射透镜的有效面积的10％～50％的范围内。

根据本发明，能够提高共聚焦计测装置的计测精度。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的共聚焦计测装置的结构的示意图。

图2是表示利用本发明的第一实施方式的共聚焦计测装置101计测出的计测对象物的位移的光谱波形的一个例子的图。

图3是表示图1示出的遮光膜4的形状的一个例子的俯视图。

图4是用于说明衍射透镜1的特性的图。

图5是用于说明在衍射透镜产生的球面像差的曲线图。

图6是表示在组合了衍射透镜和物镜的结构中产生的像差的一个例子的图。

图7是用于说明不遮挡透镜的中央部的结构的位移计测的问题点的图。

图8是用于说明利用本发明的第一实施方式的结构计测位移的图。

图9A、9B是用于说明通过遮蔽衍射透镜的中央部（中央遮蔽）来提高计测精度的图。

图10是表示本发明的第一实施方式的共聚焦计测装置的另一种结构的示意图。

图11是对比说明衍射透镜1的平面1b朝向物镜2的情况和平面1b朝向针孔（光纤11）的情况的图。

图12是表示本发明的第一实施方式的共聚焦计测装置的又一个结构的示意图。

图13是示意性地表示图12示出的衍射透镜1的衍射面的图。

图14是图12示出的衍射透镜1的示意性的剖视图。

图15是表示本发明的第二实施方式的共聚焦计测装置的结构的示意图。

图16是表示利用本发明的第二实施方式的共聚焦计测装置102计测出的计测对象物200的一个例子的图。

图17是表示在计测了图16示出的透明体层的情况下的受光波形的波形图。

图18是用来说明计测图17示出的透明体层200b的厚度的方法的图。

图19是表示本来的高度与计测出的高度的关系的图。

图20是用于说明本发明的第二实施方式的共聚焦计测装置所执行的计测处理的流程图。

图21是表示本发明的第二实施方式的共聚焦计测装置的另一个结构例的图。

其中，附图标记说明如下：

1 衍射透镜，

1a 衍射面，

1b 平面，

1c 中央部，

1d 环状区域，

2 物镜，

3 集光透镜，

4 遮光膜，

10 头部，

11、22a～22c 光纤，

20 控制部，

21 白色LED（发光二极管），

22 分支光纤，

23 光谱仪，

23a 凹面反射镜，

23b 衍射光栅，

23c 集光透镜，

24 摄像元件，

25 控制电路部，

30 监视部，

101、101A、101B、102、300 共聚焦计测装置，

200 计测对象物，

200a 底层，

200b 透明体层，

301 激光二极管，

302 光电二极管，

303 分光镜，

307 节流板，

307a 针孔，

308 振子，

309 准直透镜，

310 物镜，

311 驱动部，

312 位置检测部，

315 传感器探头，

320 控制器，

S 区域，

X 光轴。

具体实施方式

下面，利用附图，针对本发明的实施方式进行说明。此外，对图中相同或相当部分标注相同的附图标记，不重复进行说明。

另外，在本实施方式中，只要没有特意进行区分，“减光”这一术语不仅是指减弱光的意思，还包括遮断光（遮光）的意思。

［第一实施方式］

图1是表示本发明的第一实施方式的共聚焦计测装置的结构的示意图。图1示出的共聚焦计测装置101是利用共聚焦光学系统计测计测对象物200的位移的计测装置。计测对象物200没有特别的限定。换言之，共聚焦计测装置101的用途不限于特定的用途。

共聚焦计测装置101具有头部10、光纤11、控制部20、监视部30。头部10具有共聚焦的光学系统。通过光纤11光学连接头部10和控制部20。监视部30显示从控制部20输出的信号。

头部10具有衍射透镜1、物镜2、集光透镜3。物镜2配置于比衍射透镜1更靠近计测对象物200一侧。衍射透镜1的焦距比从衍射透镜1到物镜2为止的距离与物镜2的焦距之间的差大。

衍射透镜1，是使从出射后述的多个波长的光的光源（例如，白色光源）出射的光沿着光轴的方向产生色像差的光学元件。光轴X表示衍射透镜1的光轴。此外，衍射透镜1的光轴X与从光纤11出射的光的光轴及物镜2的光轴一致。

在衍射透镜1的一侧的表面周期性地形成有例如开诺全息（kinoform）形状或二进制形状（层级形状、阶梯形状）等的微小的起伏形状，或形成有周期性地改变光的透光率的振幅型的波域片（zone plate）。将该表面叫做衍射透镜1的衍射面1a。在本实施方式中，衍射透镜1的衍射面1a朝向物镜2。

另一方面，与衍射面1a相反一侧的衍射透镜1的表面为平面。将该平面叫做平面1b。在衍射透镜1的光轴X（中心光轴）通过的平面1b的中央部形成有遮光膜4。

遮光膜4遮断从光纤11出射并到达平面1b的中央部的光。从光纤11出射的光通过平面1b的遮光膜4的周围的区域（将该区域叫做外周部），因衍射透镜1的衍射面1a而产生色像差。

衍射透镜1可以具有例如在由玻璃或树脂等的单一材料制的基板形成了沿着光轴方向产生色像差的图案的结构。取而代之，衍射透镜1还可以由例如玻璃基板层及树脂层构成。树脂层能够通过以下的方式形成：在玻璃基板涂敷紫外线固化树脂，将期望的图案的模型按压在涂敷了紫外线固化树脂的玻璃基板的面，照射紫外线，固化紫外线固化树脂。根据该方法，制造成本变低。而且，由于形状在环境温度的影响下变化很小的玻璃基板占结构的大部分，所以还具有温度特性好的优点。

物镜2是将在衍射透镜1产生了色像差的光会聚到计测对象物200上的光学元件。另外，物镜2将来自计测对象物200的反射光校准为平行光。校准后的光入射到衍射透镜1。

在光纤11出射的光中，到达衍射透镜1的中央部的光因遮光膜4而不能够通过衍射透镜1。因此，通过衍射透镜2的外周部及物镜2的外周部的光到达计测对象物200。来自计测对象物200的反射光通过衍射透镜1的外周部及物镜2的外周部，入射到光纤11。遮光膜4相当于减弱通过衍射透镜的中央部并入射到光纤11（针孔）的光的光量的（在本实施方式中，实质上，将光量减弱至0）减光部。

从白色光源出射的光经由光纤11而被引导至头部10。要将从光纤11出射的光有效地用于衍射透镜1，需要使光纤11的数值孔径（NA：numerical aperture）与衍射透镜1的数值孔径一致。因此，在光纤11与衍射透镜1之间设置集光透镜3，对集光透镜3进行调整，以使光纤11的数值孔径与衍射透镜1的数值孔径一致。

光纤11为从头部10到控制部20为止的光路，并且还作为针孔起作用。即，在物镜2聚集的光中，在计测对象物200上聚焦的光，会在光纤11的开口部聚焦。因此，光纤11发挥针孔的作用，即，遮断具有不在计测对象物200聚焦的波长的光，使在计测对象物200聚焦的光通过。由于将光纤11用作从头部10到控制部20为止的光路，所以不需要针孔。

共聚焦计测装置101也可以具有不采用光纤11作为从头部10到控制部20为止的光路的结构。但是，通过将光纤11用作该光路，能够使头部10相对于控制部20灵活地移动。另外，在不采用光纤11作为从头部10到控制部20为止的光路的情况下，共聚焦计测装置101需要具有针孔。然而，由于利用光纤11，所以共聚焦计测装置101不需要具有针孔。

控制部20具有作为白色光源的白色LED（Light Emitting Diode：发光二极管）21、分支光纤22、光谱仪23、摄像元件24、控制电路部25。利用白色LED21，来作为白色光源，但只要为能够出射白色光的光源即可，也可以采用其它的光源。

分支光纤22在与光纤11连接的一侧具有一根光纤22a，并且在相反一侧具有两根光纤22b、22c。此外，光纤22b与白色LED21光学连接，光纤22c与光谱仪23光学连接。因此，分支光纤22能够将从白色LED21出射的光引导至光纤11，并且能够经由光纤11，将从头部10返回的光引导至光谱仪23。

光谱仪23具有反射从头部10返回的光的凹面反射镜23a、在凹面反射镜23a发生反射的光入射的衍射光栅23b、聚集从衍射光栅23b出射的光的集光透镜23c。光谱仪23只要能够根据波长改变从头部10返回的光在摄像元件24的聚焦位置即可，可以采用策特纳型（Czerny-Turner type）、利特洛型（Littrow mounting）等的某一种结构。

摄像元件24测定从光谱仪23出射的光的强度。摄像元件24为例如线阵CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体）或线阵CCD（Charge Coupled Device：电荷耦合器件）。在共聚焦计测装置101中，构成如下的测定部：利用光谱仪23及摄像元件24，针对每个波长来测定从头部10返回的光的强度，根据强度的峰值等来确定聚焦的光的波长。通过事先获取聚焦的光的波长与计测对象物200的位移的关系，能够计测计测对象物200的位移。此外，测定部只要能够针对不同的波长测定从头部10返回的光的强度即可，也可以仅由CCD等的摄像元件24构成。另外，摄像元件24可以为二维的CMOS或二维的CCD。

控制电路部25为控制白色LED21或摄像元件24等的动作的电路。另外，虽然省略了图示，但控制电路部25具有用于输入用于调整白色LED21及摄像元件24等的动作的信号的输入接口、用于输出摄像元件24的信号的输出接口等。

监视部30显示摄像元件24所输出的信号。例如，监视部30描画从头部10返回的光的光谱波形，显示计测对象物的位移为例如123.45μm。

图2是表示利用本发明的第一实施方式的共聚焦计测装置101计测出的计测对象物的位移的光谱波形的一个例子的图。在图2示出的光谱波形中，横轴为与光的波长对应的工件高度（将从计测对象物200到头部10的前端为止的高度设定为0）（mm）、纵轴为光的强度（标准化的值）。光谱波形示出了多个光谱的峰值，工件高度位于负侧（光的波长短的一侧）的光谱的半光谱幅值，与工件高度位于正侧（光的波长长的一侧）的光谱的半光谱幅值大致相等。因此，在共聚焦计测装置101中，即使工件高度（光的波长）变化，光谱的半光谱幅值也难以变化，因此，能够抑制因光的波长而产生的计测计测对象物200的位移的精度的变化。

图3是表示图1示出的遮光膜4的形状的一个例子的俯视图。参照图3，在衍射透镜1的平面1b的中央部中，利用遮光膜4形成遮光区域。遮光区域为轴对称的形状，更具体地，为圆形。该圆的中心与光轴X一致。

在图3中，用虚线包围的区域S的面积表示衍射透镜1的有效面积。在此，区域S不是形成有衍射图案的区域，是表示对计测有用的光通过的区域。以能够确保受光量即从计测对象物200经过头部10返回到控制部20的量和良好的角度特性的方式，规定遮光区域的面积。在本实施方式中，将遮光区域的面积与衍射透镜1的有效面积的比例规定在10％～50％的范围内，优选地，规定在20～40％的范围内，更优选地，规定为30％。在该说明书中，“角度特性”是指，能够高精度地计测计测对象物200的带有角度的部分（倾斜部分）的位移的特性。

从图1及图3了解到，由遮光膜4形成于衍射透镜1的平面1b的遮光区域具有相对于光轴X呈轴对称的形状。通过将遮光区域形成为轴对称的形状，能够获得相对于光轴X呈轴对称的角度特性。

由于在衍射透镜1的表面（平面1b）形成遮光膜4，所以不需要追加用于遮光的结构构件。遮光膜4的材质没有特别的限定，只要为能够固定在衍射透镜1的表面上的膜即可。由于与衍射透镜1的衍射面相反一侧的面为平面，所以能够易于在该平面形成遮光膜。根据该遮光膜的材料，来决定用于形成遮光膜的方法。

在一个实施方式中，利用例如印刷技术，来在衍射透镜1的平面1b的中央部涂敷黑色的涂料。根据该方法，能够易于形成遮光膜4。通过利用黑色的涂料，还能够抑制入射到遮光区域内的光的反射。

在另一个实施方式中，采用金属膜来作为遮光膜4。金属膜包括Cr（铬）膜、氧化Cr膜、Al（铝）膜等，但不限于此。能够采用蒸镀、溅镀（Sputtering）等公知的方法，来将金属膜固定于衍射透镜1的平面1b。通过采用金属膜作为遮光膜4，能够提高遮光膜4的稳定性。例如，能够使得难以从衍射透镜1的平面1b剥下遮光膜4。

而且，遮光膜4可以为单层的膜，也可以为多层膜。在利用多层膜实现遮光膜4的情况下，该多层膜的结构、材料等没有特别的限定。

如上所述，在图1示出的结构中，使用衍射透镜1，以便于使从光源出射的光产生轴上色像差。因此，与利用折射透镜的情况相比，根据该实施方式的结构，能够大幅度地减少透镜的个数。由此，能够实现小型、轻量及坚固的头部。

然而，衍射透镜在设计波长的情况下，不产生球面像差，在设计波长以外的波长的情况下，具有产生球面像差的特性。

图4是用于说明衍射透镜1的特性的图。参照图4，将衍射透镜1的设计波长设为λ0，将相对于波长λ0的光的衍射透镜1的焦距设为f0。而且，还将穿过衍射透镜1的光线L与衍射透镜1的光轴X相距的距离设为r。若将透过衍射透镜1的光线L的衍射角设为θ，则成立以下的数学式（1）。

数学式（1）：

将衍射透镜1的衍射图案的间距设为d（r）。根据下面的通常的衍射的数学式（2）表示一次衍射光的衍射角θ与图案间距d（r）的关系。

数学式（2）：

d(r)sinθ=λ₀

因此，用下面的数学式（3）表示图案间距d（r）。

数学式（3）：

如上所述，根据某一特定的波长λ0来设计衍射透镜1的衍射图案。因此，在波长与该波长不同的光入射到衍射透镜1内的情况下，产生球面像差。

图5是用于说明在衍射透镜中产生的球面像差的曲线图。参照图5，由于根据设计波长λ0来设计间距d（r），所以在波长为λ0时，像差为0，而与位置（r）无关。在此，将在包括波长λ0的某个波长范围内的最小波长及最大波长分别设为λ_min及λ_max。例如该波长范围相当于从白色光源发出的光的波长范围。在将波长λ_min的光入射到衍射透镜1的情况下，或在将波长λ_max的光入射到衍射透镜1的情况下，产生球面像差。

利用物镜2，能够在某种程度上减少在衍射透镜中产生的球面像差。但是，难以完全消除球面像差。因此，在波长与设计波长不同的光通过衍射透镜1的情况下，透过衍射透镜1的相对于光轴X较近的部分的光与透过相对于光轴X较远的部分的光的焦距不同。

图6是表示在组合了衍射透镜和物镜的结构中产生的像差的一个例子的图。参照图6，由于在衍射透镜1及物镜2的相对于光轴X较近的区域（位置r接近于0）与较远的区域中的球面像差的差异很大，所以其结果为，在衍射透镜1与物镜2的光轴附近与外周附近的焦距的差异很大。与此相对地，若仅观察衍射透镜1的相对于光轴X较近的区域或较远的区域，则球面像差相对于位置r的变化量变小，其结果为，焦距相对于位置r大体恒定。

像这样，在存在焦距不同的区域的状态下，会产生因受到来自计测对象物的反射光的分布的影响而导致角度特性下降的问题。因此，遮挡衍射透镜1或物镜2的中央部，仅利用透过焦距为大体恒定的外周附近的区域的光线来进行位移计测。由此，能够减少角度特性的下降。该理由在下面进行详细说明。此外，在下面，将“衍射透镜及物镜”都叫做“透镜”。

图7是用于说明不遮挡透镜的中央部的结构的位移计测的问题点的图。图7的（a）部分是用于说明在对计测对象物200的平坦部的位移进行计测的情况下的光线轨迹的图。图7的（b）部分是用于说明在对计测对象物200的倾斜部的位移进行计测的情况下的光线轨迹的图。参照图7，在对计测对象物200的平坦部的位移进行计测的情况下，从透镜的整体（中央部及外周部）向计测对象物200投射光，利用透镜的整体接受反射光。

与此相对地，在计测对象物200的倾斜部的位移进行计测的情况下，从透镜的整体向计测对象物200投射光，但向计测对象物200投射的光线的一部分（在图7的（b）部分中，用虚线表示光线L1）在计测对象物200的倾斜部发生的反射，不能够返回到物镜2。因此，能够接收到用实现表示的光线L2那样的仅透过透镜外周部的反射光。

像这样，在对计测对象物200的平坦部的位移进行计测的情况下与在对计测对象物200的倾斜部的位移进行计测的情况下，透镜的受光范围不同。

如图5所示，若作为位置r所取的值的范围变宽，则像差的变化量变大。像差的变化量变大意味着焦距的变动量大。即，根据光通过透镜的位置不同，在计测对象物200的表面聚焦的光的波长也不同。因此，若在像作为计测对象物200的平坦部和倾斜部那样透镜的受光范围不同的条件下进行计测，则导致倾斜部的位移的计测值与本来的位移不同，导致不能提高计测对象物200的各部位的位移的计测精度。

另一方面，图8是用于说明利用本发明的第一实施方式的结构计测位移的图。图8的（a）部分是用于说明在对计测对象物200的平坦部的位移进行计测的情况下的光线的轨迹的图。图8的（b）部分是用于说明在对计测对象物200的倾斜部的位移进行计测的情况下的光线的轨迹的图。参照图8的（a）部分、图8的（b）部分，在本实施方式中，通过利用遮光膜4，无论是在对计测对象物200的平坦部的位移进行计测的情况下，还是在对计测对象物200的倾斜部的位移进行计测的情况下，来自计测对象物200的反射光都通过透镜的外周部。如图5所示，在透镜的外周部，像差几乎相同，而与来自光轴X的位置r无关。因此，根据该实施方式，无论在对计测对象物200的平坦部的位移进行计测的情况下，还是在对计测对象物200的倾斜部的位移进行计测的情况下，都能够实现正确的计测。

图9A、9B是用于说明通过遮蔽衍射透镜的中央部（中央遮蔽）来提高计测精度的图。参照图9A，在没有中央遮蔽的情况（与图7的结构对应），就计测对象物的平坦部而言，实际的形状与计测结果之间的差不会产生很大的差异。但是，就计测对象物的倾斜部而言，实际的形状与计测结果之间的乖离变大。

如上所述，被计测对象物的平坦部反射的光，被透镜整体接收；与此相对，被计测对象物的倾斜部反射的光，仅被透镜的外周部接收。由于受到像差的影响，导致透镜外周部的焦距短，所以使波长更短的光在计测对象物表面聚焦。

光的波长越长，则计测结果越容易变得比实际的高度高。相反，光的波长越短，则计测结果越容易变得比实际的高度低。因此，就计测对象物的倾斜部而言，计测出的高度变得比本来的高度小。

另一方面，参照图9B，在存在中央遮蔽的情况下，来自计测对象物的平坦部的反射光及来自计测对象物的倾斜部的反射光都通过透镜的外周部。因此，能够减小像差的变动。其结果，在计测对象物的平坦部及倾斜部计测出的高度都与实际的高度极其一致。

此外，根据上述的结构，衍射透镜1的衍射面1a朝向物镜2，并且衍射透镜1的平面1b朝向针孔（光纤11）。然而，衍射透镜1的朝向不限于此。

图10是表示本发明的第一实施方式的共聚焦计测装置的另一种结构的示意图。参照图10，在共聚焦计测装置101A中，衍射透镜1的衍射面1a朝向针孔（光纤11），并且衍射透镜1的平面1b朝向物镜2。对图1示出的共聚焦计测装置101进行比较，在共聚焦计测装置101A中，衍射透镜1的朝向相反。图10示出的共聚焦计测装置101A与图1示出的共聚焦计测装置101同样地能够提高角度特性。

图1示出的共聚焦计测装置101通过使衍射透镜1的平面1b朝向针孔（光纤11），能够获得下面说明的效果。

图11是对比说明衍射透镜1的平面1b朝向物镜2的情况和平面1b朝向针孔（光纤11）的情况的图。参照图11的（a）部分，在衍射透镜1的平面1b朝向物镜2的情况下，从光纤11出射的光中的一部分的光线在衍射透镜1内成为平行光，该平行光在遮光膜4的背面一侧的面发生反射，进而入射到光纤11。

例如在计测反射率低的计测对象物200的位移的情况下，由于入射到光纤11的反射光的强度小，所以必须增加摄像元件24的摄像时间（曝光时间）。另一方面，由于在遮光膜4的背面一侧的面发生反射并入射到光纤11的光的强度大，所以若增加摄像时间，则有可能导致摄像元件的输出饱和。为了避免摄像元件的输出饱和，可以考虑缩短摄像时间，但难以确保高精度地计测位移。

另一方面，如图11的（b）部分所示，通过在针孔（光纤11）一侧设置遮光膜4，能够使由遮光膜4反射的光以发散方式传播（一边扩散一边传播）。因此，反射光难以与光纤耦合。由此，能够避免上述的问题。因此，能够确保高精度的计测。

图12是表示本发明的第一实施方式的共聚焦计测装置的又一个结构的示意图。参照图12，共聚焦计测装置101B与共聚焦计测装置101的不同点在于，衍射透镜1的衍射面1a的形状。

图13是示意性地表示图12示出的衍射透镜1的衍射面的图。图14是图12示出的衍射透镜1的示意性的剖视图。参照图13及图14，衍射面1a的中央部1c形成为平面，不形成衍射图案。因此，在衍射面1a中，衍射图案形成为除去中央部1c后的环状区域1d。

通过将衍射面1a的中央部1c形成为平面，能够将中央部1c作为不发挥光衍射作用的区域。因此，中央部1c具有与遮光膜4同样的功能。即，中央部1c相当于用于使返回针孔的反射光衰减的减光部。从与上述的遮光区域的面积相同的观点出发，来规定中央部1c的面积。因此，将中央部1c的面积与衍射透镜1的有效面积的比例规定在10％～50％的范围内，优选地，规定在20～40％的范围内，更优选地，规定为30％。

此外，可以在图12～图14示出的衍射透镜1的平面1b的中央部（位于衍射面1a的中央部1c的相反一侧的区域）形成遮光膜4。在该情况下，为了尽量避免在遮光膜4发生反射的光返回针孔，优选地，将衍射透镜1的衍射面1a朝向物镜2（即，遮光膜4朝向针孔）。

而且，在上述的实施方式中，在衍射透镜1的平面1b的中央部配置有遮光膜4。然而，还能够将遮光膜4替换成用于减弱光的强度的减光膜。在为该结构的情况下，减光膜的透光率没有特别的限定。

如上所述，根据第一实施方式，衍射透镜1包括用于遮断从衍射透镜1的光轴X周围的中央部返回到针孔的光的遮光区域（或减光区域）。由此，由于能够提高共聚焦计测装置的角度特性，所以能够提高位移的计测精度。

［第二实施方式］

根据第一实施方式，利用衍射透镜1的结构上的特征，能够提高位移的计测精度。在本发明的第二实施方式中，通过从摄像元件输出的受光信号的处理，能够提高位移的计测精度。

图16是表示利用本发明的第二实施方式的共聚焦计测装置102计测出的计测对象物200的一个例子的图。参照图16，计测对象物200具有底层200a、透明体层200b。透明体层200b配置在底层200a的表面。透明体层200b的表侧的面（上部的面）的反射率比底层200a的表面的反射率小。而且，透明体层200b的厚度t_b比受光波形的半光谱幅值小。例如底层200a为硅晶片，透明体层200b为固定在该硅晶片的表面的光致抗蚀剂。

图17是表示在计测了图16示出的透明体层的情况下的受光波形的波形图。参照图17，来自底层200a（硅晶片）的表面的反射光的光量比来自透明体层200b（光致抗蚀剂）的上部的面的反射光的光量大很多。另外，如上所述，透明体层200b的厚度t_b比受光波形的半光谱幅值小。因此，来自透明体层200b的反射光的受光波形被来自底层200a的表面的反射光的受光波形覆盖。

图18是用来说明计测图17示出的透明体层200b的厚度的方法的图。参照图18，来自物镜2（图中省略）的光LB进行扫描，入射到透明体层200b。透明体层200b具有厚度t_b及折射率n。

在计测了底层200a（硅晶片）的高度的状态下，光LB在空气中通过。另一方面，若透过透明体层200b而计测底层200a，则因在透明体层部分发生的光的折射，使得透明体层部分看起来具有本来的厚度t_b的1/n倍的厚度。即，底层200a相对于底层200a的表面的高度看起来高出用下面的计算式表示的高度的大小。

t_b－t_b/n＝（1－1/n）t_b

在光LB进行扫描的情况下，计测上述的（1－1/n）t_b的高度。因此，若将计测出的高度设为h，则根据下面的计算式计算厚度t_b。

t_b＝h×n/（n－1）

图19是表示本来的高度与计测出的高度的关系的图。由于折射率n比1大，所以本来的高度（厚度t_b）变得比计测值h大。

事先求出透明体层200b的折射率n。根据上述的计算式，基于计测出的高度h，来求出厚度t_b。

图20是用于说明本发明的第二实施方式的共聚焦计测装置所执行的计测处理的流程图。参照图20，若开始进行处理，则在步骤S1中，光进行扫描。虽然在图15等中没有示出，但通过使例如载置有计测对象物200的载物台移动，来使从头部10出射的光相对地进行扫描。

在步骤S2中，计测透明体层200b的高度h。与第一实施方式同样地，由摄像元件24接受从头部10返回的光。控制电路部25分析摄像元件24输出的信号的光谱波形的峰值波长。控制电路部25根据上述峰值波长来决定高度h。

在步骤S3中，控制电路部25计算透明体层200b的厚度t_b。具体来说，控制电路部25根据t_b＝h×n/（n－1）的计算式，在步骤S2中，基于所决定的高度h来计算厚度t_b。此外，事先在控制电路部25的内部，与透明体层200b的种类相关联地存储折射率n。例如，在计测时，使用者对控制电路部25指定透明体层200b的种类。由此，控制电路部25自动地决定折射率n。

在步骤S4中，控制电路部25输出计算出的厚度t_b。例如，控制电路部25向监视部30输出厚度t_b的值。监视部30显示厚度t_b的值。

此外，本发明的第二实施方式的共聚焦计测装置的结构不限定于图15示出的结构。图21是表示本发明的第二实施方式的共聚焦计测装置的另一个结构例的图。参照图21，共聚焦计测装置300具有传感器探头315、控制该传感器探头315的控制器320。

传感器探头315具有激光二极管301、光电二极管302、分光镜303、形成有针孔307a的节流板（throttle plate）307、准直透镜309、音叉状的振子308、安装在振子308的臂上的物镜310、用于使振子308振动的驱动部311、用于检测振子308的臂的位置的位置检测部312。

通过从控制器320对激光二极管301供给电流，来使该激光二极管301产生规定强度的光。从激光二极管301发出的光透过分光镜303，入射到准直透镜309。来自激光二极管301的光通过准直透镜309进行校准，并入射到物镜310。物镜310使来自准直透镜309的光会聚在计测对象物200的表面。

由振子308的臂支撑物镜310。在振子308的附近设置有用于使振子308的臂振动的驱动部311。物镜310通过振子308的臂的振动，向接近于计测对象物200的方向及远离计测对象物200的方向移动。位置检测部312检测沿着光轴X的方向的物镜310的位置。

该计测对象物200，对从激光二极管301朝向计测对象物200照射的光进行反射。来自计测对象物200的反射光经由物镜310、准直透镜309及分光镜303，被引导至光电二极管302。由分光镜303引导至光电二极管302的反射光透过节流板307的针孔307a，入射到光电二极管302。

控制器320向驱动部311发送信号，以控制驱动部311的动作。而且，控制器320基于来自位置检测部312的信号及来自光电二极管302的受光信号，建立物镜310的位移量与受光信号的强度的对应关系。由此，控制器320检测在受光信号的强度达到峰值时的物镜310的位移量。基于该位移量，控制器320计测计测对象物200的表面的位移。

在具有上述的结构的共聚焦计测装置中，控制器320能够执行图20示出的计测处理。因此，能够计测设置在底层的上方的透明体层的厚度。

在图15及图21中，示出了共聚焦方式的位移计测装置。然而，本发明的第二实施方式的计测处理还能够通过所谓的三角法测距方式的位移计测装置来执行。

如下所述，概括本发明的第二实施方式。本发明的第二实施方式的计测装置具有：发出光的光源21、302；物镜2、310，用于聚集从光源21、302向计测对象物200照射的光；受光元件24、302，接受来自计测对象物200的反射光；计算部25、320，基于从受光元件24、302输出的受光信号来计算计测对象物200的位移。计测对象物200包括底层200a、配置在底层200a的上方的透明体层200b。计算部25、320基于从受光元件24、302输出的受光信号，计测透明体层200b的高度h。计算部25、320基于计测出的高度h和透明体层200b的折射率n，来计算透明体层200b的厚度t_b。换言之，计算部25、320利用透明体层200b的折射率n，修正计测出的高度h，从而决定透明体层200b的厚度t_b。如上所述，计测装置的位移的计测方式包括共聚焦方式、三角法测距方式，但不限于此。

优选地，计测装置为利用共聚焦光学系统来对计测对象物的位移进行计测的共聚焦计测装置。计测装置具有针孔11、307，该针孔11、307使在物镜2、310聚集的光中的在计测对象物200聚焦的光通过。

而且，优选地，光源21为出射多个波长的光的光源。计测装置具有衍射透镜1，该衍射透镜1使从光源21出射的光沿着光轴X方向产生色像差。

另外，本发明的第二实施方式的位移计测方法为对计测对象物的位移进行计测的计测装置所使用的位移计测方法。计测对象物200包括底层200a和配置在底层200a的上方的透明体层200b。计测装置具有：发出光的光源21、302；物镜2、310，用于聚集从光源21、302向计测对象物200照射的光；受光元件24、302，接受来自计测对象物200的反射光；计算部25、320，基于从受光元件24、302输出的受光信号来计算计测对象物200的位移。

计测方法包括：步骤S1，使从光源21、302向计测对象物200照射的光沿着计测对象物200的表面进行扫描；步骤S2，基于从受光元件24、302输出的受光信号来计测透明体层200b的高度h；步骤S3，基于计测出的高度h和透明体层200b的折射率n来计算透明体层200b的厚度t_b。

应该注意的是，本次公开的实施方式在所有方面只是例示性的，而非限定。本发明的范围并不由上述说明来示出，而是由权利要求书来示出，包括与权利要求书的范围等同的含义以及在该范围内的所有变更的内容。

Claims

1.一种共聚焦计测装置，利用共聚焦光学系统，来对计测对象物的位移进行计测，其特征在于，

具有：

光源，其出射多个波长的光，

衍射透镜，其具有衍射面和平面，所述衍射面形成有用于产生色像差的衍射图案，所述平面位于所述衍射面的相反一侧，所述衍射透镜使从所述光源出射的光沿着光轴方向产生色像差，

物镜，其配置在比所述衍射透镜更靠近所述计测对象物的一侧，将在所述衍射透镜产生了色像差的光聚集到所述计测对象物，

针孔，其使利用所述物镜聚集的光中的在所述计测对象物聚焦的光通过，

测定部，其针对每个波长，测定通过了所述针孔的光的强度；

所述衍射透镜具有以所述衍射透镜的光轴为中心的轴对称形状的减光部；

在所述衍射面上，将所述衍射图案设置为环状，

所述减光部包括被所述衍射图案包围的配置在所述衍射面的中央的平面，配置在所述衍射面的中央的平面使通过所述衍射透镜的中央并返回所述针孔的光衰减。

2.如权利要求1所述的共聚焦计测装置，其特征在于，

所述减光部包括遮光膜或者减光膜，所述遮光膜或者所述减光膜形成于所述衍射透镜的所述平面。

3.如权利要求2所述的共聚焦计测装置，其特征在于，

形成有所述遮光膜或者所述减光膜的所述衍射透镜的所述平面，朝向所述针孔，

所述衍射透镜的所述衍射面，朝向所述物镜。

4.如权利要求2～3中的任一项所述的共聚焦计测装置，其特征在于，

所述遮光膜或者所述减光膜由固定于所述衍射透镜的所述平面上的涂料构成。

5.如权利要求2～3中的任一项所述的共聚焦计测装置，其特征在于，

所述遮光膜或者所述减光膜由固定于所述衍射透镜的所述平面上的金属膜构成。

6.如权利要求1～3中的任一项所述的共聚焦计测装置，其特征在于，

所述减光部的面积在所述衍射透镜的有效面积的10％～50％的范围内。

7.如权利要求4所述的共聚焦计测装置，其特征在于，

8.如权利要求5所述的共聚焦计测装置，其特征在于，