CN112805530B - 测定装置以及使用了测定装置的投光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够抑制起因于光学系统的像的失真的影响并且测定对象物的测定装置以及使用了测定装置的投光系统。测定装置(1A)具备：照明光学系统(10A)，经由相互不同的第一光路(L1)以及第二光路(L2)向对象物照射具有规定的图案的照射光；以及观察系统(20)，观察经由第一光路(L1)投影到对象物的第一光源像(220a、220b)以及经由第二光路(L2)投影到对象物的第二光源像(220c、220d)，照明光学系统(10A)构成为经由第一光路(L1)的光以及经由第二光路(L2)的光聚光到照射光的行进方向上的相互不同的位置，上述位置是沿着照射光的行进方向观察到的对象物的俯视时的规定的位置，基于通过观察系统(20)观察到的第一光源像以及第二光源像测定对象物。

Description

测定装置以及使用了测定装置的投光系统

技术领域

本发明涉及测定装置以及使用了测定装置的投光系统。

背景技术

以往，在光学领域，已知有通过检测照射到物体的光的反射光，来计算到物体的距离的方法。例如，在下述专利文献1公开了对照射到对象物的光的反射光中通过了狭缝板的光进行受光，并基于该受光量的变化检测对象物的位移量的光学式的位移传感器。

另外，在下述专利文献2公开了使用两个遮光图案对样本投射图案像，并基于投射的两个像计算到样本的距离的光学显微镜。在该光学显微镜中，通过将两个遮光图案配置为距离光轴的距离相互不同，投影到样本的两个像经由透镜在相互不同的深度对焦。由此，在传感器中检测到的两个像产生对比度的差异，所以能够基于该对比度的差异计算到样本的距离。

专利文献1：日本特开2012－229983号公报

专利文献2：日本特开2008－281719号公报

根据上述专利文献1所公开的位移传感器，虽然能够检测与对象物的距离是否变化，但不能够检测该距离本身。另一方面，根据上述专利文献2所公开的光学显微镜，虽然能够测定到对象物为止的距离，但由于基于两个遮光图案的像透过距离透镜的光轴的距离不同的位置，所以由于透镜的像差、畸变，存在像中产生相互不同的失真、模糊，而距离的测定精度变差的可能。

发明内容

本公开是鉴于这样的情况而完成的，本公开的目的在于提供能够抑制起因于光学系统的像的失真的影响并且测定对象物的测定装置以及使用了测定装置的投光系统。

本公开的一侧面的测定装置具备：照明光学系统，经由相互不同的第一光路以及第二光路向对象物照射具有规定的图案的照射光；以及观察系统，观察经由第一光路投影到对象物的第一光源像以及经由第二光路投影到对象物的第二光源像，照明光学系统构成为经由第一光路的光以及经由第二光路的光聚光到沿着照射光的行进方向观察到的对象物的俯视时的规定的位置，该位置是照射光的行进方向上的相互不同的位置，基于通过观察系统观察到的第一光源像以及第二光源像测定对象物。

本公开的一侧面的测定装置具备：照明光学系统，经由相互不同的第一光路以及第二光路向对象物照射具有规定的图案的照射光；以及观察系统，观察经由第一光路投影到对象物的第一光源像以及经由第二光路投影到对象物的第二光源像，照明光学系统构成为第一光路以及第二光路聚光到将照明光学系统的光轴作为法线的面方向上距离光轴的距离相等的位置，该位置是照射光的行进方向上的相互不同的位置，基于通过观察系统观察到的第一光源像以及第二光源像测定对象物。

根据本公开，即使第一光路和第二光路出现像差，出现的像差的影响相同，所以能够提供能够抑制起因于光学系统的像的失真的影响并且测定对象物的测定装置以及使用了测定装置的投光系统。

附图说明

图1是表示本公开的第一实施方式的测定装置的整体构成的图。

图2是表示本公开的第一实施方式的测定装置中的照明光学系统的斜视结构的立体图。

图3是本公开的第一实施方式的测定装置中的图案板的放大俯视图。

图4A是表示在对象物位于地点A的情况下通过拍摄部拍摄到的图像的影像的图。

图4B是表示在对象物位于地点B的情况下通过拍摄部拍摄到的图像的影像的图。

图5是表示第一变形例的图案板的平面结构的俯视图。

图6是表示第一变形例的图案板的侧面结构的侧视图。

图7是表示第二变形例的图案板的平面结构的俯视图。

图8是用于说明使用了第二变形例的图案板的测定装置中的图案光的聚光的图。

图9A是表示本公开的第二实施方式的测定装置中的图案板的平面结构的俯视图。

图9B是表示第三变形例的图案板的平面结构的俯视图。

图10是表示本公开的第三实施方式的测定装置的整体构成的图。

图11是表示本公开的第三实施方式的测定装置中的图案板的平面结构的俯视图。

图12A是表示在对象物位于地点A的情况下通过拍摄部拍摄到的图像的影像的图。

图12B是表示在对象物位于地点B的情况下通过拍摄部拍摄到的图像的影像的图。

图13是表示在使用本公开的第三实施方式的测定装置测定对象物的倾斜的情况下，通过拍摄部拍摄到的图像的影像的图。

图14是表示在使用本公开的第三实施方式的测定装置测定对象物的形状的情况下，通过拍摄部拍摄到的图像的影像的图。

图15是表示应用了本公开的第一实施方式的测定装置的激光束投光系统的整体构成的图。

图16A是用于说明激光束投光系统的动作的图。

图16B是用于说明激光束投光系统的动作的图。

图16C是用于说明激光束投光系统的动作的图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式进行说明。此外，在以下的附图的记载中以相同或者相似的附图标记表示相同或者相似的构成要素。附图为例示，各部的尺寸、形状是示意的内容，并不应该理解为将本申请发明的技术范围限定于该实施方式。

参照图1～图3，对本公开的第一实施方式的测定装置进行说明。图1是表示本公开的第一实施方式的测定装置的整体构成的图。图2是表示本公开的第一实施方式的测定装置中的照明光学系统的斜视结构的立体图。图3是本公开的第一实施方式的测定装置中的图案板的放大俯视图。

如图1所示，测定装置1A具备向对象物W投射规定的图案的图案光的照明光学系统10A、和能够观察投射到对象物W的光源像的观察系统20。

照明光学系统10A构成将照射光照射为在对象物W的附近形成光源像的所谓的临界照明。具体而言，照明光学系统10A例如具有光源11、图案板12A、透镜单元13、反射镜14、以及聚光透镜15。

光源11对照射光进行照射。

图案板12A设置在从光源11照射的照射光的光路上。图案板12A构成投射到对象物W的图案光的图案。图案板12A包含使光透过的透过部、和遮断光或者使其减光的减光部。通过透过部以及减光部的配置来决定图案光的图案。在本实施方式中图案板12A如图2所示呈圆形平板状，在其中央附近形成交叉状的狭缝120。狭缝120构成使照射光透过的透过部，形成了狭缝120的区域以外的区域构成遮断照射光或者使其减光的减光部。此外，为了使透过了狭缝120的光扩散，图案板12A既可以是使较薄地加工的掩膜部件紧贴在加工为粗糙面的玻璃面上的板，或者在该玻璃面上对铬等掩膜进行蒸镀的板，或者也可以是使荧光体分布为相同形状的板。或者，也可以在图案板的前面或者后面设置扩散板。

图3是放大示出形成了交叉状的狭缝120的区域的俯视图。如图3所示，交叉状的狭缝120包含：在纸面的纵向并排地配置的两个矩形形状的狭缝121a、121b、和在横向并排地配置的两个矩形形状的狭缝121c、121d。

在两个狭缝121a、121b分别设置有偏振器122a、122b，在两个狭缝121c、121d分别设置有偏振器122c、122d。偏振器122a、122b与偏振器122c、122d是使相互不同的偏振方向的光透过的偏振器。由此，通过图案板12A生成的图案光包含透过了狭缝121a、121b的光、和透过了狭缝121c、121d的光两种偏振方向的光。此外，两种偏振方向例如也可以是相互正交的方向。

透镜单元13包含透镜130。透镜130是将照射光导向规定的方向的光学部件的一具体例。在本实施方式中，透镜130呈圆形平板状。透镜130的材质并不特别限定，但透镜130例如由包含人工石英的石英构成。石英例如与玻璃等其它的材料相比在较宽的波长的范围内具有较高的透过率，并且即使在使波长比较短而能量较强力的光(例如，深紫外光)透过的情况下也不容易损害光学特征，而劣化的发展较慢。另外，石英由于不具有潮解性所以耐水性优异。

石英是具有一个方向的光学轴的单轴性结晶。因此，在透过石英的光的行进方向不与石英的光学轴平行的情况下，透过石英的光被分离为振动面相互不同的正常光线和异常光线行进，产生所谓的双折射。这是因为在石英的结晶结构上，光线的相位速度根据行进方向而不同，所以根据振动面而折射率不同。在本实施方式中，透镜130被配置为从图案板12A照射的图案光的行进方向与透镜130的光学轴不平行。由此，如上述那样包含两种偏振方向的光的图案光在透镜130中以相互不同的折射角折射，分开进入第一光路L1和第二光路L2。

此外，虽然在本实施方式中示出透镜单元13包含一个透镜130的构成，但透镜单元13具有的透镜的个数、形状以及材质等是一个例子，并不限定于此。另外，透镜130的材料并不限定于石英，例如也可以是其它的单轴性结晶，或者也可以是双轴性结晶。并且，光学部件并不限定于透镜，例如也可以是棱镜。

透过了透镜130的图案光在反射镜14反射，通过聚光透镜15聚光并投射到对象物W。后述在对象物W的附近形成的光源像的详细内容。

观察系统20例如具有半透半反镜21、和拍摄部22。

半透半反镜21使图案光的一部分透过，并且使在对象物W反射的光的一部分朝向拍摄部22反射。此外，半透半反镜21包含于观察系统20，并且也包含于照明光学系统10A。

拍摄部22通过对在半透半反镜21反射的光进行受光，拍摄投射到对象物W的图案光的光源像。此外，拍摄部22是用于观察光源像的一具体例，用于观察像的结构并不限定于此。

参照图4A以及图4B对在拍摄部22中拍摄到的光源像的详细内容进行说明。图4A是表示在对象物W位于地点A的情况下通过拍摄部22拍摄到的图像的影像的图。图4B是表示在对象物W位于地点B的情况下通过拍摄部22拍摄到的图像的影像的图。

透过了图案板12A的狭缝121a、121b的光经由第一光路L1形成第一光源像220a、220b，透过了狭缝121c、121d的光经由第二光路L2形成第二光源像220c、220d。此外，为了方便说明，在图3中相互分离地图示四个狭缝121a～121d，但这些四个狭缝相对于对象物W的大小足够接近。即，与各狭缝121a～121d对应的第一光源像220a、220b以及第二光源像220c、220d在沿着图案光的行进方向观察对象物W的俯视时，实际上分别投射到对象物W的规定的位置(大致相同的位置)。

如上述那样，经由了第一光路L1的光和经由了第二光路L2的光在透镜130中相互以不同的折射角折射。因此，经由了第一光路L1的光和经由了第二光路L2的光在图案光的行进方向(在本实施方式中，是聚光透镜15的光轴方向。以下，也称为“深度方向”。)上在相互不同的位置聚光(参照图1)。由此，例如在对象物W位于距离聚光透镜15相对较近的地点A的情况下，如图4A所示，经由了第一光路L1的第一光源像220a、220b由于对焦而被清晰地拍摄，经由了第二光路L2的第二光源像220c、220d由于不对焦而被不清晰地拍摄。另一方面，在对象物W位于距离聚光透镜15相对较远的地点B的情况下，如图4B所示，经由了第一光路L1的第一光源像220a、220b由于不对焦而被不清晰地拍摄，经由了第二光路L2的第二光源像220c、220d由于对焦所以被清晰地拍摄。因此，第一光源像与第二光源像的差异包含到对象物W为止的距离信息。换句话说，能够基于通过拍摄部22观察到的光源像的特性(例如，清晰度、对比度等)，测定从测定装置1A的一部分(例如，聚光透镜15)到对象物W为止的距离。另外，通过采用本构成，起到以下的(1)～(4)所示的效果。

(1)在本实施方式中，通过将图案光分为第一光路L1以及第二光路L2并照射到对象物W，能够对投影到对象物上的规定的位置的多个光源像的清晰度进行比较。因此，例如如上述专利文献2所公开的那样，与对投影到对象物上的相互分离的位置的两个光源像的清晰度进行比较的构成(以下，也将该构成称为“比较例”。)相比，即使在对象物的表面有凹凸，或者对象物的表面相对于照明光学系统倾斜的情况下，也能够高精度地测定到对象物为止的距离。另外，即使是微小的大小的对象物而难以投射相互分离的两个光源像，也能够测定距离。特别是，石英与其它的单轴性结晶相比双折射的程度较小，所以能够减小第一光源像与第二光源像的偏移。因此，通过由石英构成透镜130，例如能够进行精密的测量。

(2)在比较例中，形成两个光源像的光透过距离透镜的光轴的距离不同的位置，所以例如有由于慧形像差或者像散等透镜的像差、畸变而像产生失真，测定精度变差的可能。或者，为了修正该失真，需要对照明光学系统进行微调或者按照测定装置存储像的失真方式，而有可能设计、计算变得复杂化。对于这一点，根据本实施方式，第一光路L1以及第二光路L2透过透镜的大致相同的位置，所以能够抑制起因于透镜的像差、畸变等光学系统的光源像的失真的影响，与比较例相比能够使测定精度提高。或者，由于不需要修正失真，所以与比较例相比设计、解析简单化，能够使测定高速化。特别是，接近透镜130的光轴的区域(近轴区域)与其它的区域相比不容易受到像差的影响，所以通过使第一光路L1以及第二光路L2透过该近轴区域，容易得到这些效果。

(3)在比较例中，两个光源像在对象物的俯视时投射到不同的位置，所以为了观察两个光源像需要多个传感器或者大型的传感器。对于这一点，根据本实施方式，经由了第一光路L1以及第二光路L2的光源像在对象物W的俯视时投射到大致相同的位置，所以只要有一个传感器就足够，能够实现部件数的减少或者装置的规模的缩小。

(4)在比较例中，由于两个光源像透过透镜的不同的位置，所以若应用于偏心光学系统、由自由曲面构成的光学系统则像中产生非对称的模糊，而不能够适当地测定到对象物为止的距离。对于这一点，根据本实施方式，由于第一光路L1以及第二光路L2透过透镜的大致相同的位置，所以也能够应用于偏心光学系统、由自由曲面构成的光学系统。例如，测定装置1A能够应用于平视显示器，能够测定汽车中从驾驶员到前挡风玻璃的距离，利用于防止瞌睡等的应用。或者，测定装置1A能够使用于运动捕捉、光雕投影、检眼器等各种系统。

此外，虽然在上述的实施方式中，示出了图案光的光路分为两个的例子，但光路的数目并不限定于此，也可以在三个以上。

另外，虽然在上述的实施方式中，对测定从测定装置1A的一部分到对象物W的距离的例子进行了说明，但测定装置1A测定的距离并不限定于该距离，能够获取其它的各种信息。例如，也可以使用于检测在测定范围内是否有对象物的物体检测。

另外，虽然在上述的实施方式中，示出了在图案板12A形成狭缝120(透过部)，通过透过了狭缝120的光生成图案光的例子，但图案板中的透过部与减光部的配置也可以相反。即，图案板也可以是通过具有使光透过的大部分的透过部、和使光减光或者遮断的图案状的减光部生成图案光的构成。该情况下，透过部也可以为粗糙面以使光扩散。

使图案光进行聚光的深度方向的位置偏移，得到清晰度不同的光源像的方法并不限定于上述的实施方式，也能够通过其它的构成实现。以下，对得到清晰度不同的光源像的其它的构成进行说明。

图5是表示图案板12A的第一变形例的图案板12B的平面结构的俯视图，图6是表示图案板12A的第一变形例的图案板12B的侧面结构的侧视图。此外，在以下的变形例以及实施方式中，省略与上述的实施方式相同的事项的记述，仅对不同点进行说明。特别是，并不在每个实施方式依次提及相同的构成所带来的相同的作用效果。

图5以及图6与图3相同，是放大示出图案板12B中形成了交叉状的狭缝的区域的图。图案板12B具有图案光的行进方向上的长度(即，图案板12B的厚度)不同的区域。在该厚度相对较厚的第一区域R1形成两个狭缝123a、123b，并在相对较薄的第二区域R2形成两个狭缝123c、123d。即，透过狭缝123a、123b的光的射出位置、和透过狭缝123c、123d的光的射出位置在图案光的行进方向相互不同。因此，即使是这样的构成也能够将图案光分为第一光路和第二光路，形成在深度方向在不同的位置进行聚光的多个光源像。

此外，在图案板12B中，能够通过图案板12B的厚度分开图案光的光路，所以相当于上述的透镜130的透镜的材料也可以不具有双折射性，例如也可以是由玻璃等构成的透镜。即，在本变形例中，能够不使用偏振器、双折射性的透镜，得到与上述的实施方式相同的效果。

图7是表示图案板12A的第二变形例的图案板12C的平面结构的俯视图，图8是用于说明使用了图案板12A的第二变形例的图案板12C的测定装置1A中的图案光的聚光的图。

图7与图3相同，是放大示出图案板12C中形成了交叉状的狭缝的区域的图。在图案板12C形成有与图3所示的图案板12A相同的四个狭缝121a～121d，分别在这些四个狭缝121a～121d设置有使相互不同的波长的光透过的波长滤波器124a～124d。在照射光透过图案板12C时，照射光被分为相互不同的四个波长的光。

在本变形例中，相当于上述的透镜130的透镜例如也可以是由火石玻璃构成的高色散透镜。火石玻璃由于表示相对于光的波长的折射率的位移量的阿贝数较低，即色散较大，所以如图8所示光的聚光位置在深度方向具有规定的范围的宽度。在本变形例中，由于图案光包含四个波长的光，所以四个光源像的深度方向的聚光位置彼此不同。因此，在拍摄部22中拍摄到的四个光源像中，最对焦于对象物W的光源像的波长的光的受光量比其它的光源像的波长的光的受光量更多。换句话说，能够基于在拍摄部22中受光的光源像的波长及其受光量，测定到对象物为止的距离。

此外，虽然在本变形例中，示出了形成于图案板12C的狭缝的数目为四个，波长滤波器的波长为四种的例子，但该狭缝的数目以及波长滤波器的波长数并不限定于四个，也可以是两个或者三个，或者五个以上。另外，这些波长滤波器并不需要一定使单一的波长带的光透过的滤波器，也可以是补色的透过滤波器等那样，使多个波长带的光透过的滤波器。

接下来，参照图9A以及图9B对本公开的第二实施方式的测定装置进行说明。

图9A是表示本公开的第二实施方式的测定装置中的图案板12D的平面结构的俯视图。图9B是表示图案板的第三变形例的图案板12E的平面结构的俯视图。第二实施方式的测定装置与上述的第一实施方式的测定装置相比，在图案板形成的狭缝的位置以及形状不同。

图9A所示的图案板12D具有在将照明光学系统10A的光轴作为法线的面方向在距离光轴的距离相等的位置形成的四个矩形形状的狭缝125a～125d。图9B所示的图案板12E具有在将照明光学系统10A的光轴作为法线的面方向在距离光轴的距离相等的位置形成的四个弧状的狭缝126a～126d。既可以例如与上述的图案板12A相同分别在这些狭缝125a～125d、126a～126d设置偏振器，或者也可以与图案板12C相同地设置波长滤波器。或者，图案板12D、12E也可以与图案板12B相同地具有厚度不同的区域。通过应用这样的构成，与上述的测定装置1A相同，透过了各图案的光在深度方向在相互不同的位置聚光。因此，与上述的测定装置1A相同，能够基于投影到对象物W的多个光源像的清晰度，测定到对象物W为止的距离。

这里，形成在图案板12D、12E的多个狭缝与形成在上述的图案板12A～12C的多个狭缝相比，狭缝间的距离相互远离。因此，例如在图案板12D中，透过狭缝125a经由第一光路投射到对象物W的第一光源像、和透过狭缝125b经由第二光路投射到对象物W的第二光源像能够投射到在对象物W的俯视时远离的位置。然而，即使在该情况下，在图案板12D、12E中，由于在距离光轴的距离相互相等的位置形成各狭缝，所以即使与各狭缝对应的光源像由于透镜的像差、畸变而失真，也认为相互对称地失真。除此之外，在第一光路以及第二光路透过透镜的近轴区域的情况下，其影响极小。因此，即使是这样的狭缝的配置，与比较例相比也能够使测定精度提高。

这样，形成在图案板的狭缝的形状、个数以及配置并不特别限定。另外，也可以组合形成上述的各狭缝。

图10是表示本公开的第三实施方式的测定装置的整体构成的图，图11是表示本公开的第三实施方式的测定装置中的图案板的平面结构的俯视图。

本实施方式的测定装置1B在照明光学系统10B代替图案板12A而具备图案板12F，并且照射光的光路透过近轴区域以外的区域即所谓的轴外区域这一点，与上述的测定装置1A不同。即，在本实施方式中，在各光路中不以对称的像差为前提。因此，只要来自光源11的光进行聚光即可，也能够应用于不具有光轴的光学系统，例如自由曲面系统等。此外，虽然以下对使用具有光轴的光学系统的轴外区域的构成进行说明，但并不限定于此。观察系统20的构成能够与上述的测定装置1A相同，所以在图10中省略图示。

如图11所示，在图案板12F形成有以光轴为中心的圆环状的狭缝127。狭缝127是与狭缝127对应的光源像在对象物W的俯视时相对于对象物W的大小具有平面的扩展而投射的程度的大小。

透镜130例如与上述的第一实施方式相同，根据透过的光的偏振方向具有不同的折射力，通过该折射作用将照射光分为第一光路以及第二光路。具体而言，透镜130例如也可以是由单轴性结晶构成的透镜。该透镜的光学轴既可以与照明光学系统10B的光轴平行，也可以垂直。

在本实施方式中，照射光透过透镜130的轴外区域。这里，由于透镜130中的双折射，正常光线的折射率与异常光线的折射率相互不同。换句话说，在正常光线和异常光线下透镜的倍率不同，所以拍摄部22(未图示)观察到在对象物W上稍微偏移的双重的第一光源像以及第二光源像(参照图10)。由此，能够基于该第一光源像以及第二光源像的清晰度以及位置，测定到对象物W为止的距离。此外，“稍微偏移”是指相对于对象物W的大小足够接近，在对象物W的俯视时，能够视为第一光源像以及第二光源像实际上投影到对象物W的规定的位置的程度的偏移。例如，也可以在能够清楚地看到第一光源像和第二光源像的任意一方时，一方的光源像的至少一部分与另一方的光源像的模糊的区域的至少一部分重合时，将第一光源像和第二光源像作为“稍微偏移”的双重像。

图12A是表示在对象物W位于地点A的情况下通过拍摄部22拍摄到的图像的影像的图。图12B是表示在对象物W位于地点B的情况下通过拍摄部22拍摄到的图像的影像的图。

如图12A所示，在对象物W位于距离聚光透镜15相对较近的地点A的情况下，外侧的圆环状的第一光源像221a由于对焦而被清晰地拍摄，内侧的圆环状的第二光源像221b被模糊地拍摄。另一方面，如图12B所示，在对象物W位于距离聚光透镜15相对较远的地点B的情况下，外侧的圆环状的第一光源像221a被模糊地拍摄，内侧的圆环状的第二光源像221b由于对焦而被清晰地拍摄。这样，能够基于双重偏移的像的清晰度，测定到对象物W为止的距离。

通过上述的构成，根据本实施方式，与上述的第一实施方式的测定装置1A相比，能够不使用偏振器而测定对象物W。

另外，在本实施方式中，投影到对象物W的光源像相对于对象物W具有平面的扩展，所以能够基于该光源像的位置以及清晰度，测定对象物的倾斜、形状。进一步参照图13以及图14对这一点进行说明。

图13是表示在使用本公开的第三实施方式的测定装置测定对象物的倾斜的情况下，通过拍摄部22拍摄到的图像的影像的图。

在图13所示的例子中，在纸面的右上侧，内侧的圆环状的第二光源像222b更不清晰，在纸面的左下侧，外侧的圆环状的第一光源像222a更不清晰。根据这些图像，可知该对象物是相对于照明光学系统10B倾斜为在纸面的右上侧接近聚光透镜15，在纸面的左下侧远离聚光透镜15的平板状。

图14是表示在使用本公开的第三实施方式的测定装置测定对象物的形状的情况下，通过拍摄部22拍摄到的图像的影像的图。

在图14所示的例子中，使用以光轴为中心同心圆状地形成了多个(在本实施方式中，为三个)圆环状的狭缝的图案板。从三个狭缝分别投射双重的第一光源像223a以及第二光源像223b、第一光源像224a以及第二光源像224b、及第一光源像225a以及第二光源像225b。在与最外侧的狭缝对应的光源像中，外侧的第一光源像223a与内侧的第二光源像223b相比不清晰，与此相对在与最内侧的狭缝对应的光源像中，内侧的第二光源像225b与外侧的第一光源像225a相比不清晰。因此，可知该对象物是纸面的中央附近最接近聚光透镜15，且随着靠近外侧而远离聚光透镜15的半球状。

这样，根据投射到对象物W的图案相对于对象物W具有平面的扩展的构成，能够在二维的范围测定到对象物W为止的距离。

接下来，对应用了上述的测定装置的激光束投光系统进行说明。

图15是表示应用了本公开的第一实施方式的测定装置的激光束投光系统的整体构成的图。图16A～图16C是用于说明激光束投光系统的动作的图。

如图15所示，激光束投光系统2例如除了上述的测定装置1A中的照明光学系统10A以及观察系统20之外，还具备投光系统30、高度调整系统40、以及控制系统50。

投光系统30经由测定装置1A的照明光学系统10A的至少一部分，将激光束B投光至对象物W，对对象物W进行加工。在本实施方式中，激光束B经由照明光学系统10A所包含的聚光透镜15照射到对象物W。激光束B的波长例如与从照明光学系统10A照射的图案光的波长不同，在观察系统20中能够相互区分激光束B和图案光。

高度调整系统40调整从投光系统30中的聚光透镜15到对象物W为止的距离亦即工作距离WD。通过调整该工作距离WD，能够使激光束B的深度方向的聚光位置调整到适当的位置。

测定装置1A通过上述的原理，测定工作距离WD。

控制系统50基于通过测定装置1A测定出的工作距离WD，控制高度调整系统40以使该工作距离WD保持规定的条件。规定的条件例如包含工作距离WD与聚光透镜15的焦距一致。

在这样的激光束的投光系统30中，例如随着激光束的照射所引起的温度的上升，例如有可能聚光透镜15的折射率变化，进而聚光透镜15的焦距变化。该情况下，有工作距离WD与聚光透镜15的焦距不一致，而激光束的聚光位置不与对象物W一致的可能。此外，例如可能由于透镜的玻璃材料、涂层材料包含杂质所引起的光吸收发热，环境温度的变化，或者来自对象物的辐射的影响等而产生温度的上升。

例如，图16A示出工作距离WD与聚光透镜15的焦距f一致，激光束B的聚光位置与对象物W一致的状态。此时，初始设定为测定装置1A中的经由第一光路L1的第一光源像、和经由第二光路L2的第二光源像例如均成为同等程度的清晰度。

若随着温度的上升而聚光透镜15的折射率变化，则如图16B所示聚光透镜15的焦距f缩短，成为焦距fa(f＞fa)。由此，工作距离WD与聚光透镜15的焦距fa不一致，激光束B的聚光位置与对象物W不一致。此时，由于测定装置1A中的第一光路L1以及第二光路L2也透过与投光系统30相同的聚光透镜15，所以光路与激光束B相同地变化，成为第一光路L1a以及第二光路L2a(参照图16B)。由此，投影到对象物W的多个光源像例如一方变得清晰，另一方变得不清晰。

控制系统50基于在观察系统20中观察到的这些光源像的清晰度的变化，控制高度调整系统40使双方的光源像的清晰度再次成为同等程度，来调整工作距离WD。通过上述的动作，如图16C所示，进行了调整的工作距离WDa与聚光透镜15的焦距fa再次一致，激光束Ba的聚光位置与对象物W一致。

这样，根据本实施方式的激光束投光系统2，能够保持工作距离WD与聚光透镜15的焦距一致的状态，所以能够不在中途改变加工条件，或者不会在加工的最初和最后加工部的质量产生不均而进行加工，而基于激光束的加工精度提高。另外，在本实施方式的激光束投光系统2中，在照明光学系统10A和投光系统30中共用聚光透镜15，所以能够测定聚光透镜15的焦距的变化。因此，例如与使工作距离与聚光透镜的固有的焦距一致的构成相比，能够以更高的精度使聚光位置与对象物W一致。

此外，虽然在上述的实施方式中，示出了控制系统50控制高度调整系统40的动作的构成，但也可以代替该构成，而例如在显示器显示在测定装置1A的观察系统20中观察到的光源像，由用户在视觉确认该显示器的同时手动操作高度调整系统40来调整工作距离。

另外，虽然在上述的实施方式中，示出了投光系统30对激光束B进行投光，来对对象物W进行加工的例子，但投光系统进行投光的光并不限定于激光束，也可以是其它的种类的光。

以上，对本发明的例示的实施方式进行了说明。此外，以上说明的各实施方式是用于使本发明的理解变得容易的实施方式，并不用于对本发明进行限定解释。本发明能够在不脱离其主旨的范围内，进行变更或者改进，并且在本发明也包含有其等效物。即，只要具备本发明的特征，则本领域技术人员适当地对各实施方式施加了设计变更后的实施方式也包含于本发明的范围。例如，各实施方式具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于例示的内容而能够适当地变更。另外，各实施方式具备的各要素能够在技术上可能的范围内进行组合，只要包含本发明的特征则组合了这些要素后的实施方式也包含于本发明的范围。

附图标记说明

1A、1B…测定装置，2…激光束投光系统，10A、10B…照明光学系统，11…光源，12A～12F…图案板，13…透镜单元，14…反射镜，15…聚光透镜，20…观察系统，21…半透半反镜，22…拍摄部，30…投光系统，40…高度调整系统，50…控制系统，120、121a～121d、123a～123d、125a～125d、126a～126d、127…狭缝，122a～122d…偏振器，124a～124d…波长滤波器，130…透镜，220a、220b、221a、222a…第一光源像，220c、220d、221b、222b…第二光源像，L1…第一光路，L2…第二光路，R1…第一区域，R2…第二区域，B…激光束。

Claims (10)

1.一种测定装置，具备：

照明光学系统，经由相互不同的第一光路以及第二光路向对象物照射具有规定的图案的照射光；以及

观察系统，观察经由上述第一光路投影到上述对象物的第一光源像以及经由上述第二光路投影到上述对象物的第二光源像，

上述照明光学系统构成为经由上述第一光路的光以及经由上述第二光路的光聚光到上述照射光的行进方向上的相互不同的位置，上述位置是沿着上述照射光的行进方向观察到的上述对象物的俯视时的规定的位置，

基于通过上述观察系统观察到的上述第一光源像以及上述第二光源像来测定上述对象物，

上述照明光学系统具有图案板以及光学部件，上述图案板以及光学部件设置在上述照射光的光路上，

上述图案板通过使光透过的透过部以及使光遮断或者减光的减光部的配置来构成上述规定的图案，

上述图案板包含第一区域以及第二区域，上述第一区域以及第二区域在上述照射光的行进方向上的长度相互不同，

上述透过部包含分别形成于上述第一区域以及上述第二区域的多个狭缝。

2.一种测定装置，具备：

照明光学系统，经由相互不同的第一光路以及第二光路向对象物照射具有规定的图案的照射光；以及

观察系统，观察经由上述第一光路投影到上述对象物的第一光源像以及经由上述第二光路投影到上述对象物的第二光源像，

上述照明光学系统构成为经由上述第一光路的光以及经由上述第二光路的光聚光到上述照射光的行进方向上的相互不同的位置，上述位置是沿着上述照射光的行进方向观察到的上述对象物的俯视时的规定的位置，

基于通过上述观察系统观察到的上述第一光源像以及上述第二光源像来测定上述对象物，

上述照明光学系统具有图案板以及光学部件，上述图案板以及光学部件设置在上述照射光的光路上，

上述图案板通过使光透过的透过部以及使光遮断或者减光的减光部的配置来构成上述规定的图案，

上述透过部包含：形成于上述图案板的多个狭缝、和分别设置于上述多个狭缝且使相互不同的偏振方向的光透过的多个偏振器，

上述光学部件根据分别透过了上述多个偏振器的光的偏振方向具有不同的折射力，通过折射作用将上述照射光分为上述第一光路以及上述第二光路。

3.根据权利要求2所述的测定装置，其中，

上述光学部件包含由石英构成的透镜。

4.一种测定装置，具备：

照明光学系统，经由相互不同的第一光路以及第二光路向对象物照射具有规定的图案的照射光；以及

观察系统，观察经由上述第一光路投影到上述对象物的第一光源像以及经由上述第二光路投影到上述对象物的第二光源像，

上述照明光学系统构成为经由上述第一光路的光以及经由上述第二光路的光聚光到上述照射光的行进方向上的相互不同的位置，上述位置是沿着上述照射光的行进方向观察到的上述对象物的俯视时的规定的位置，

基于通过上述观察系统观察到的上述第一光源像以及上述第二光源像来测定上述对象物，

上述照明光学系统具有图案板以及光学部件，上述图案板以及光学部件设置在上述照射光的光路上，

上述图案板通过使光透过的透过部以及使光遮断或者减光的减光部的配置来构成上述规定的图案，

上述透过部包含：形成于上述图案板的多个狭缝、和分别设置于上述多个狭缝且使相互不同的波长的光透过的多个波长滤波器，

上述光学部件包含高色散透镜，该高色散透镜根据分别透过了上述多个波长滤波器的光的波长来形成上述第一光源像以及第二光源像。

5.一种测定装置，具备：

照明光学系统，经由相互不同的第一光路以及第二光路向对象物照射具有规定的图案的照射光；以及

观察系统，观察经由上述第一光路投影到上述对象物的第一光源像以及经由上述第二光路投影到上述对象物的第二光源像，

上述照明光学系统构成为上述第一光路以及上述第二光路聚光到上述照射光的行进方向上的相互不同的位置，上述位置是在将上述照明光学系统的光轴作为法线的面方向上距离上述光轴的距离相等的位置，

基于通过上述观察系统观察到的上述第一光源像以及上述第二光源像来测定上述对象物，

上述照明光学系统具有图案板以及光学部件，上述图案板以及光学部件设置在上述照射光的光路上，

上述图案板通过使光透过的透过部以及使光遮断或者减光的减光部的配置来构成上述规定的图案，

上述图案板包含第一区域以及第二区域，上述第一区域以及第二区域在上述照射光的行进方向上的长度相互不同，

上述透过部包含分别形成于上述第一区域以及上述第二区域的多个狭缝。

6.一种测定装置，具备：

照明光学系统，经由相互不同的第一光路以及第二光路向对象物照射具有规定的图案的照射光；以及

观察系统，观察经由上述第一光路投影到上述对象物的第一光源像以及经由上述第二光路投影到上述对象物的第二光源像，

上述照明光学系统构成为上述第一光路以及上述第二光路聚光到上述照射光的行进方向上的相互不同的位置，上述位置是在将上述照明光学系统的光轴作为法线的面方向上距离上述光轴的距离相等的位置，

基于通过上述观察系统观察到的上述第一光源像以及上述第二光源像来测定上述对象物，

上述照明光学系统具有图案板以及光学部件，上述图案板以及光学部件设置在上述照射光的光路上，

上述图案板通过使光透过的透过部以及使光遮断或者减光的减光部的配置来构成上述规定的图案，

上述透过部包含：形成于上述图案板的多个狭缝、和分别设置于上述多个狭缝且使相互不同的偏振方向的光透过的多个偏振器，

上述光学部件根据分别透过了上述多个偏振器的光的偏振方向具有不同的折射力，通过折射作用将上述照射光分为上述第一光路以及上述第二光路。

7.根据权利要求6所述的测定装置，其中，

上述光学部件包含由石英构成的透镜。

8.一种测定装置，具备：

照明光学系统，经由相互不同的第一光路以及第二光路向对象物照射具有规定的图案的照射光；以及

观察系统，观察经由上述第一光路投影到上述对象物的第一光源像以及经由上述第二光路投影到上述对象物的第二光源像，

上述照明光学系统构成为上述第一光路以及上述第二光路聚光到上述照射光的行进方向上的相互不同的位置，上述位置是在将上述照明光学系统的光轴作为法线的面方向上距离上述光轴的距离相等的位置，

基于通过上述观察系统观察到的上述第一光源像以及上述第二光源像来测定上述对象物，

上述照明光学系统具有图案板以及光学部件，上述图案板以及光学部件设置在上述照射光的光路上，

上述图案板通过使光透过的透过部以及使光遮断或者减光的减光部的配置来构成上述规定的图案，

上述透过部包含：形成于上述图案板的多个狭缝、和分别设置于上述多个狭缝且使相互不同的波长的光透过的多个波长滤波器，

上述光学部件包含高色散透镜，该高色散透镜根据分别透过了上述多个波长滤波器的光的波长来形成上述第一光源像以及第二光源像。

9.一种投光系统，具备：

权利要求1～8中任意一项所述的测定装置；

投光系统，经由上述照明光学系统的至少一部分将光向上述对象物进行投光；

调整系统，调整上述投光系统中的工作距离；以及

控制系统，控制上述调整系统，以使通过上述测定装置测定出的上述工作距离保持为规定的条件。

10.根据权利要求9所述的投光系统，其中，

上述投光系统进行投光的光的波长与上述照明光学系统照射的照射光的波长不同。

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