CN107209354A - 观察装置 - Google Patents

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CN107209354A CN201580075384.6A CN201580075384A CN107209354A CN 107209354 A CN107209354 A CN 107209354A CN 201580075384 A CN201580075384 A CN 201580075384A CN 107209354 A CN107209354 A CN 107209354A
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Abstract

本发明提供的观察装置，能够以10微米以下的分辨率并且超过45度的较大倾斜角来观察例如24.6×24.6mm左右的物体面。观察装置(10)具备感光面(20)和使来自物体面S的光在感光面(20)成像的成像光学系统(30)。成像光学系统(30)包括凹面主镜(32)、副镜(34)以及引出平面镜(36)。来自物体面(S)的光的光束按照凹面主镜(32)、凸面副镜(34)、凹面主镜(32)的顺序反射后，经由引出平面镜(36)而在感光面(20)成像。观察装置(10)具备：第一倾转单元，其能够使从物体面(S)朝向凹面主镜(32)的光的光轴(L1)与物体面(S)的垂线(N1)所成的角度(α)变化；第二倾转单元，其能够使从引出平面镜(36)朝向感光面(20)的光的光轴(L2)与感光面(20)的垂线(N2)所成的角度(β)变化。

Description

观察装置
技术领域
本发明涉及观察装置。
背景技术
例如为了检查印制电路板的缺陷，而要求不仅观察印制电路板表面的二维形状，还要观察印制电路板表面的三维形状。即，要求一边观察印制电路板的表面的二维形状(XY面形状)、一边观察其表面的凹凸形状的高度(＝Z轴方向高度)。
通过从正上方观察印制电路板的表面，能够测定该基板表面的二维形状。但是为了获得Z轴方向的高度信息，需要从倾斜方向观察基板表面的凹凸形状。例如，若从倾斜方向观察基板表面，则所观察的图像的近前侧的宽度变宽，而里侧的宽度变窄。在此，若使焦点与所观察的图像的中央对齐，则在近前侧和里侧焦点不一致，因此在中央以外的部分无法获得鲜明的图像。在近前侧和里侧焦点不一致是由于在通常的光学系统中，像面和物体面相对于光轴垂直配置而引起的。为了在包括近前侧和里侧的整个面使焦点一致，需要使像面相对于光轴倾斜，并且像面和物体面需要满足沙伊姆弗勒条件(Scheimpflugcondition)。另外，为了以相同的宽度观察近前侧和里侧，需要使用物体侧和像侧均为远心的光学系统。
本发明人已经提出过能够从倾斜方向测量物体面的测量装置的发明(参见专利文献1)。该测量装置利用等倍反射型成像光学系统。
专利文献1：日本特开2013-174844号公报
通过利用沙伊姆弗勒原理，能够使从倾斜方向观察的物体面的整个面在感光面上成像。利用了沙伊姆弗勒原理的现有的光学观察装置大部分使用折射透镜系统。使用了折射透镜系统的现有的光学观察装置的性能，例如如以下的表1所示。
表1
如表1所示，不存在能够以超过45度的较大的倾斜角并且10微米以下的分辨率，从倾斜方向观察物体面的光学观察装置。
另外，在观察装置的成像光学系统使用了折射透镜系统的情况下，存在能够透过折射透镜所使用的玻璃材料的光的波段受限制的问题。在该情况下，存在难以将观察装置应用于半导体、生物领域的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供能够以10微米以下的分辨率并且超过45度的较大的倾斜角来观察例如24.6×24.6mm左右的物体面的观察装置。另外，目的还在于提供观察物体面所使用的光的波长不受限制的观察装置。
为了解决上述课题的手段为以下的发明。
(1)一种观察装置，具备：对来自物体面的光进行感光的感光面、和使来自所述物体面的光在所述感光面成像的成像光学系统，所述观察装置的特征在于，
所述成像光学系统由等倍反射型成像光学系统构成，该等倍反射型成像光学系统包括：凹面主镜、凸面副镜以及引出平面镜，能够使来自所述物体面的光的光束按照所述凹面主镜、所述凸面副镜、所述凹面主镜的顺序反射后，经由所述引出平面镜而在所述感光面成像，
所述观察装置具备：
第一倾转单元，其能够使从所述物体面朝向所述凹面主镜的光的光轴与所述物体面的垂线所成的角度α变化；和
第二倾转单元，其能够使从所述引出平面镜朝向所述感光面的光的光轴与所述感光面的垂线所成的角度β变化。
(2)根据上述(1)所述的观察装置，
具备控制单元，其控制所述第一倾转单元和所述第二倾转单元，
所述控制单元以使所述角度α与所述角度β相等的方式，控制所述第一倾转单元和所述第二倾转单元。
(3)根据上述(1)或(2)所述的观察装置，
所述第一倾转单元能够使所述角度α在0度～70度的范围变化，
所述第二倾转单元能够使所述角度β在0度～70度的范围变化。
(4)根据上述(1)至(3)中的任一项所述的观察装置，所述观察装置是显微镜、光谱椭偏仪、缺陷检测装置或者反射率测定装置。
根据本发明，能够提供能以10微米以下的分辨率并且超过45度的较大的倾斜角来观察例如24.6×24.6mm左右的物体面的观察装置。另外，还能提供观察物体面所使用的光的波长不受限制的观察装置。
附图说明
图1是以X轴为旋转轴的观察装置的主视图、俯视图以及侧视图。
图2是以Y轴为旋转轴的观察装置的主视图、俯视图以及侧视图。
图3是以X轴为中心旋转了0°的观察装置的俯视图。
图4是以X轴为中心旋转了0°的观察装置的侧视图。
图5是以X轴为中心旋转了0°的观察装置的主视图。
图6是以X轴为中心旋转了30°的观察装置的主视图。
图7是以X轴为中心旋转了60°的观察装置的主视图。
图8是以X轴为中心旋转了-60°的观察装置的主视图。
图9是以Y轴为中心旋转了0°的观察装置的俯视图。
图10是以Y轴为中心旋转了0°的观察装置的侧视图。
图11是以Y轴为中心旋转了0°的观察装置的主视图。
图12是以Y轴为中心旋转了30°的观察装置的主视图。
图13是以Y轴为中心旋转了60°的观察装置的主视图。
图14是以Y轴为中心旋转了-30°的观察装置的主视图。
图15是进一步示出具体的观察装置的外观的主视图。
图16是以Y轴为中心旋转了-45°的观察装置的主视图。
图17是观察装置的侧视图。
图18示出观察装置以X轴为中心旋转了0°的情况下的分辨率(MTF)的计算结果。
图19示出观察装置以X轴为中心旋转了±30°的情况下的分辨率(MTF)的计算结果。
图20示出观察装置以X轴为中心旋转了±60°的情况下的分辨率(MTF)的计算结果。
图21示出观察装置以Y轴为中心旋转了0°的情况下的分辨率(MTF)的计算结果。
图22示出观察装置以Y轴为中心旋转了±30°的情况下的分辨率(MTF)的计算结果。
图23示出观察装置以Y轴为中心旋转了±60°的情况下的分辨率(MTF)的计算结果。
具体实施方式
以下，参照附图并且对本发明的实施方式进行详细地说明。
图1是以X轴为旋转轴的观察装置的主视图、俯视图以及侧视图。图2是以Y轴为旋转轴的观察装置的主视图、俯视图以及侧视图。
如图1、图2所示，本实施方式的观察装置10具备：用于对来自物体面S的光进行感光的感光面20、和用于使来自物体面S的光在感光面20成像的成像光学系统30。
本实施方式的观察装置10的成像光学系统30由作为等倍反射型成像光学系统之一的欧浮纳(Offner)光学系统构成。成像光学系统30由远心光学系统构成。
本实施方式的观察装置10也可以具备用于向物体面S照射光的未图示的照明光学系统。照明光学系统也可以与成像光学系统30匹配，由远心光学系统5构成。作为照明光学系统，例如能够使用日本特开2013-174844号公报中公开的柯勒照明系统。
如图1、图2所示，由欧浮纳光学系统构成的成像光学系统30具备：由凹面镜构成的主镜32、由凸面镜构成的副镜34、以及引出平面镜36。来自物体面S的光的光束按照主镜32、副镜34、主镜32、引出平面镜36的顺序反射后，能够在感光面20成像。
物体面S和感光面20在欧浮纳光学系统中成为等倍的共轭关系。
物体面S为作为观察对象的物体的表面，例如是印制电路板的表面。
感光面20是来自物体面S的光成像的面，例如是二维CCD等摄像元件的感光面。
副镜34是光学系统的光瞳。
另外，一般使用的CCD为了提高感光效率，而在各元件的前表面组装有被称为微透镜的聚光透镜、有厚度的滤色器。但是由于具有较大斜率的光束不到达CCD的感光面，因此难以使用微透镜聚光。因此感光面20所使用的二维CCD优选为未组装微透镜、有厚度的滤色器的类型。
如图1、图2所示，从物体面S朝向凹面主镜32的光的光束为远心。在主镜32反射后的光在兼作光阑的凸面副镜34反射。在副镜34反射后的光再次在凹面主镜32反射而成为远心。在主镜32反射而成为远心的光，在引出平面镜36反射，并以等倍方式在感光面20成像。
物体面S的视场例如为24.6×24.6mm，NA＝0.04。
来自物体面S的光以等倍方式成像的感光面20的视场，例如也为24.6×24.6mm，NA＝0.04。
图3是以X轴为中心旋转了0°的观察装置10的俯视图。图4是以X轴为中心旋转了0°的观察装置10的侧视图。图5是以X轴为中心旋转了0°的观察装置10的主视图。
如图5所示，在观察装置10以X轴为中心旋转了0°的状态下，在YZ平面内，物体面S的垂线N1相对于从物体面S朝向主镜32的光的光轴L1倾斜0°(α＝0°)。另外，感光面20的垂线N2相对于从引出平面镜36朝向感光面20的光的光轴L2倾斜0°(β＝0°)。
图6是以X轴为中心旋转了30°的观察装置10的主视图。
如图6所示，在观察装置10以X轴为中心旋转了30°的状态下，在YZ平面内，物体面S的垂线N1相对于从物体面S朝向主镜32的光的光轴L1倾斜30°(α＝30°)。另外，感光面20的垂线N2相对于从引出平面镜36朝向感光面20的光的光轴L2倾斜30°(β＝30°)。
图7是以X轴为中心旋转了60°的观察装置10的主视图。
如图7所示，在观察装置10与X轴为中心旋转了60°的状态下，在YZ平面内，物体面S的垂线N1相对于从物体面S朝向主镜32的光的光轴L1倾斜60°(α＝60°)。另外，感光面20的垂线N2相对于从引出平面镜36朝向感光面20的光的光轴L2倾斜60°(β＝60°)。
图8是以X轴为中心旋转了-60°的观察装置10的主视图。
如图8所示，在观察装置10以X轴为中心旋转了-60°的状态下，在YZ平面内，物体面S的垂线N1相对于从物体面S朝向主镜32的光的光轴L1倾斜-60°(α＝-60°)。另外，感光面20的垂线N2相对于从引出平面镜36朝向感光面20的光的光轴L2倾斜-60°(β＝-60°)。
图9是以Y轴为中心旋转了0°的观察装置10的俯视图。图10是以Y轴为中心旋转了0°的观察装置10的侧视图。图11是以Y轴为中心旋转了0°的观察装置10的主视图。
如图11所示，在观察装置10以Y轴为中心旋转了0°的状态下，在XZ平面内，物体面S的垂线N1相对于从物体面S朝向主镜32的光的光轴L1倾斜0°(α＝0°)。另外，感光面20的垂线N2相对于从引出平面镜36朝向感光面20的光的光轴L2倾斜0°(β＝0°)。
图12是以Y轴为中心旋转了30°的观察装置10的主视图。
如图12所示，在观察装置10以Y轴为中心旋转了30°的状态下，在XZ平面内，物体面S的垂线N1相对于从物体面S朝向主镜32的光的光轴L1倾斜30°(α＝30°)。另外，感光面20的垂线N2相对于从引出平面镜36朝向感光面20的光的光轴L2倾斜30°(β＝30°)。
图13是以Y轴为中心旋转了60°的观察装置10的主视图。
如图13所示，在观察装置10以Y轴为中心旋转了60°的状态下，在XZ平面内，物体面S的垂线N1相对于从物体面S朝向主镜32的光的光轴L1倾斜60°(α＝60°)。另外，感光面20的垂线N2相对于从引出平面镜36朝向感光面20的光的光轴L2倾斜60°(β＝60°)。
图14是以Y轴为中心旋转了-30°的观察装置10的主视图。
图14所示，在观察装置10以Y轴为中心旋转了-30°的状态下，在XZ平面内，物体面S的垂线N1相对于从物体面S朝向主镜32的光的光轴L1倾斜-30°(α＝-30°)。另外，感光面20的垂线N2相对于从引出平面镜36朝向感光面20的光的光轴L2倾斜-30°(β＝-30°)。
如以上说明的那样，本实施方式的观察装置10能够以X轴和Y轴两者为中心旋转。即，在成为观察对象的物体面S位于XY二维平面内时，能够将收容主镜32、副镜34以及引出平面镜36的镜筒主体，以X轴和Y轴两者为中心旋转驱动。另外，还能够配合镜筒主体的旋转角度，对例如由CCD摄像元件构成的感光面20自由地进行旋转驱动。由此，能够以使物体面S和感光面20满足沙伊姆弗勒条件的方式，对观察装置10的镜筒主体和感光面20进行旋转驱动。其结果，即使在从倾斜方向观察物体面S的情况下，也能够使物体面S的整个面焦点一致。
图15是进一步示出具体的观察装置10的外观的主视图。图17是观察装置10的侧视图。图16是以Y轴为中心旋转了-45°的观察装置10的主视图。
如图15～图17所示，观察装置10具备将主镜32、副镜34以及引出平面镜36一体地收容于内部的镜筒主体12。另外，观察装置10具备用于将镜筒主体12以X轴和Y轴为中心旋转驱动的单元。该驱动单元例如由步进马达或伺服马达构成。用于旋转驱动镜筒主体12的单元，不做特别限定，也可以是步进马达或伺服马达以外的单元。用于旋转驱动镜筒主体12的单元对应于本发明的“第一倾转单元”。
观察装置10具备用于对例如由CCD摄像元件构成的感光面20进行旋转驱动的单元。该驱动单元例如由步进马达或伺服马达构成。用于旋转驱动感光面20的单元不做特别限定，也可以是步进马达或伺服马达以外的单元。用于旋转驱动感光面20的单元对应于本发明的“第二倾转单元”。
另外，观察装置10具备控制单元，该控制单元分别对用于旋转驱动镜筒主体12的单元(第一倾转单元)和用于旋转驱动感光面20的单元(第二倾转单元)进行控制。该控制单元通过分别控制第一倾转单元和第二倾转单元，由此能够分别控制镜筒主体12和感光面20的旋转角度。该控制单元例如由个人计算机构成。第一倾转单元与控制单元电连接。第二倾转单元与控制单元电连接。优选为在控制单元安装有用于分别控制第一倾转单元和第二控制单元的软件。
第一倾转单元通过使镜筒主体12旋转，由此能够使从物体面S朝向凹面主镜32的光的光轴L1与物体面S的垂线N1所成的角度α变化。第一倾转单元优选为能够使角度α在0°～70°的范围变化。
第二倾转单元通过使感光面20旋转，由此能够使从引出平面镜36朝向感光面20的光的光轴L2与感光面20的垂线N2所成的角度β变化。第二倾转单元优选为能够使角度β在0°～70°的范围变化。
控制单元能够以使角度α与角度β相等的方式分别控制第一倾转单元和第二倾转单元。即，能够以使物体面S与感光面20满足沙伊姆弗勒条件的方式，分别控制物体面S和感光面20相对于光轴的倾斜角度。由此，即使在从例如倾斜了60°的方向观察物体面S的情况下，也能够使物体面S的整个面焦点一致。
如上所述，用于使来自物体面S的光在感光面20成像的成像光学系统，由作为等倍反射型成像光学系统之一的欧浮纳光学系统构成。与折射透镜不同，这样的反射光学系统具有观察物体面S所使用的光的波长不受限制的优点。因此本实施方式的观察装置10由于用于观察的光的波长不受限制，因此能够应用于半导体、生物等各种领域。
本实施方式的观察装置10例如能够应用于用于观察物体面的显微镜。
本实施方式的观察装置10例如能够应用于光谱椭偏仪、缺陷检测装置或者反射率测定装置。
本实施方式的观察装置除了这些装置以外，还具有能够应用于所有光学观察装置的可能性。
图18示出本实施方式的观察装置以X轴为中心旋转了0°的情况下的分辨率(MTF)的计算结果。图19示出本实施方式的观察装置以X轴为中心旋转了±30°的情况下的分辨率(MTF)的计算结果。图20示出本实施方式的观察装置以X轴为中心旋转了±60°的情况下的分辨率(MTF)的计算结果。图21示出本实施方式的观察装置以Y轴为中心旋转了0°的情况下的分辨率(MTF)的计算结果。图22示出本实施方式的观察装置以Y轴为中心旋转了±30°的情况下的分辨率(MTF)的计算结果。图23示出了本实施方式的观察装置以Y轴为中心旋转了±60°的情况下的分辨率(MTF)的计算结果。分辨率(MTF)是将主波长设为550nm(权重1.0)，在从250nm(权重1.0)到800nm(权重1.0)的波长范围计算出的。另外，分辨率(MTF)计算到100LP/mm(5μm L&S)。
在观察装置相对于XY平面垂直(X轴中心和Y轴中心的旋转角＝0°)的情况下，在XY投影面内，物体面与感光面关于Y轴对称(线对称)，关于X轴非对称。在该情况下，如图18和图21所示，感光面中心和四个转角处的MTF与理论值几乎重合。
在观察装置以X轴为中心旋转了±30°和±60°的情况下，在XY投影面内，物体面与感光面关于Y轴对称(线对称)，关于X轴非对称。在该情况下，如图19和图20所示，感光面的X方向上的MTF与旋转角＝0°的情况相比几乎不变。感光面的Y方向上的MTF在旋转角为30°的情况下，降低cos30°＝0.866，在旋转角为60°的情况下，降低cos60°＝0.5，与理论值几乎重合。
在观察装置以Y轴为中心旋转了±30°和±60°的情况下，在XY投影面内，物体面与感光面关于X轴和Y轴两者非对称。在该情况下，如图22和图23所示，感光面的X方向上的MTF与旋转角＝0°的情况相比，几乎不变。感光面的Y方向上的MTF在旋转角为30°的情况下，降低cos30°＝0.866，在旋转角为60°的情况下，降低cos60°＝0.5，与理论值几乎重合。
本实施方式的观察装置如图1所示，在使观察装置在YZ平面内以X轴为中心旋转的情况下，几乎能够实现理论值的分辨率。另外，本实施方式的观察装置如图2所示，在使观察装置在XZ平面内以Y轴为中心旋转的情况下，也几乎能够实现理论值的分辨率。
也考虑在物体面放置于XY平面的情况下，能够使放置于与物体面垂直的Z轴方向的观察装置向X轴方向倾斜的图1所示的观察装置。
也考虑在物体面放置于XY平面的情况下，能够使放置于与物体面垂直的Z轴方向上的观察装置向Y轴方向倾斜的图2所示的观察装置。
本实施方式的观察装置能够从几乎所有方向观察物体面。
本实施方式的观察装置，即使在从倾斜方向观察物体面的情况下，也几乎能够实现理论值的分辨率。
通常，放置有试料的显微镜的物体面沿XY方向移动。需要对焦的物镜沿垂直于物体面的Z轴方向移动。即，显微镜具备三个驱动轴。
本实施方式的观察装置还具备：用于使观察装置以X轴为中心旋转的驱动轴、和用于使观察装置以Y轴为中心旋转的驱动轴。即，本实施方式的观察装置能够具备五个驱动轴。在该情况下，也可以通过组装五轴机器人来实现本实施方式的观察装置。
附图标记说明：10…观察装置；12…镜筒主体；20…感光面；30…成像光学系统；32…主镜；34…副镜；36…引出平面镜；L1，L2…光轴；N1、N2…垂线；S…物体面。

Claims (4)

1.一种观察装置，具备：对来自物体面的光进行感光的感光面、和使来自所述物体面的光在所述感光面成像的成像光学系统，所述观察装置的特征在于，
所述成像光学系统由等倍反射型成像光学系统构成，该等倍反射型成像光学系统包括：凹面主镜、凸面副镜以及引出平面镜，能够使来自所述物体面的光的光束按照所述凹面主镜、所述凸面副镜、所述凹面主镜的顺序反射后，经由所述引出平面镜而在所述感光面成像，
所述观察装置具备：
第一倾转单元，其能够使从所述物体面朝向所述凹面主镜的光的光轴与所述物体面的垂线所成的角度α变化；和
第二倾转单元，其能够使从所述引出平面镜朝向所述感光面的光的光轴与所述感光面的垂线所成的角度β变化。
2.根据权利要求1所述的观察装置，其特征在于，
具备控制单元，其控制所述第一倾转单元和所述第二倾转单元，
所述控制单元以使所述角度α与所述角度β相等的方式，控制所述第一倾转单元和所述第二倾转单元。
3.根据权利要求1或2所述的观察装置，其特征在于，
所述第一倾转单元能够使所述角度α在0度～70度的范围变化，
所述第二倾转单元能够使所述角度β在0度～70度的范围变化。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的观察装置，其特征在于，
所述观察装置是显微镜、光谱椭偏仪、缺陷检测装置或者反射率测定装置。
CN201580075384.6A 2015-02-05 2015-07-17 观察装置 Pending CN107209354A (zh)

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