JP2018136466A - 光学要素並びにそれを用いる観察装置および観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴースト現象があらわれることがなく、大型化の際の製造コストの増加を抑制することもできる光学要素並びにそれを用いる観察装置および観察方法を提供する。
【解決手段】この光学要素は、光源１０からの照明光が厚さ方向一方の面２１ｄにより観察対象物Ｓに向かって反射し観察対象物Ｓを照明光により照明する板状部材２１を有する光学要素２０であって、板状部材２１に板厚方向に貫通する複数の孔２１ａが設けられ、観察対象物Ｓからの光が複数の孔２１ａを通過して板状部材２１の厚さ方向他方の面側に配置された観察用センサ４０に入射するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの照明光を観察対象物に反射すると共に、観察対象物から観察光学系又は観察用センサに向かう光を透過させる光学要素並びにそれを用いる観察装置および観察方法に関する。

光源からの照明光を観察対象物に反射すると共に、観察対象物から観察光学系又は観察用センサに向かう光を通過させるハーフミラー、ビームスプリッタ等が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−０９１００３号公報

しかし、ハーフミラーを用いて同軸落射観察を行う場合、ハーフミラーの厚さがあるので、ハーフミラーの主反射面の裏側の面でわずかに光の反射が起こり、ゴーストと称される現象があらわれる。
ゴーストの発生を極力低減又は問題無い程度まで低減するために、２つのプリズムを貼り合わせて成るビームスプリッタを用いる場合もある。しかし、ビームスプリッタでもハーフミラーよりは目立たないがゴーストと同様の現象が生ずる場合がある。

さらに、２つの直角プリズムを貼り合わせて成るビームスプリッタは、例えば、一方の直角プリズムの斜面に光学薄膜を蒸着すると共に、２つの直角プリズムの斜面同士を接合するので、これにより立方体等の直方体形状となる。このため、数十ｃｍ等の寸法を有するこの手のビームスプリッタを精度良く製造することが難しく、製造できたとしてもその製造コストは高額となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ゴースト現象があらわれることがなく、大型化の際の製造コストの増加を抑制することもできる光学要素並びにそれを用いる観察装置および観察方法の提供を目的とする。

本発明の第１の態様に係る光学要素は、光源からの照明光が厚さ方向一方の面により観察対象物に向かって反射し該観察対象物を前記照明光により照明する板状部材を有し、前記板状部材に板厚方向に貫通する複数の孔が設けられ、前記観察対象物からの光が前記複数の孔を通過して前記板状部材の厚さ方向他方の面側に配置された所定の観察光学系又は観察用センサに入射するように構成されている。

本発明の第２の態様に係る観察装置は、前記光学要素と、該光学要素の前記板状部材の前記厚さ方向一方の面に前記照明光を供給する前記光源と、前記板状部材の前記複数の孔を通過した前記観察対象物からの光が入射する前記観察光学系又は前記観察用センサとを備えている。

本発明の第３の態様に係る観察方法は、光源からの照明光を板状部材の厚さ方向一方の面により観察対象物に向かって反射し、これにより該観察対象物を前記照明光により照明するステップと、前記板状部材を板厚方向に貫通するように設けられた複数の孔を介して前記板状部材の向こう側の前記観察対象物を観察するステップとを有する。

上記各態様によれば、板状部材の厚さ方向一方の面により光源からの照明光が観察対象物に向かって反射し、観察対象物からの光が板状部材に設けられた複数の孔を通過して観察が行われる。また、板状部材は照明光を曲げる機能と、観察対象物からの光を通過させる機能とを有するが、この部分に反射率を有する透過部材が用いられていないので、ゴースト現象が発生しない。さらに、板状部材に複数の孔を設ける構成を採用しているので、大型化の際の製造コストの上昇を抑制することができる。

本発明によれば、ゴーストの現象があらわれることがなく、大型化の際の製造コストの増加を抑制することもできる。

本発明の第１実施形態に係る観察装置の概略構成図である。 第１実施形態の光学要素の板状部材をII方向から見た要部平面図である。 図２におけるIII−III線断面図である。 第１実施形態の第１変形例を示す板状部材の要部平面図である。 図４におけるＶ−Ｖ線断面図の例である。 図４におけるＶ−Ｖ線断面図の他の例である。 第１実施形態の第２変形例を示す観察装置の概略構成図である。 第１実施形態の第３変形例を示す観察装置の概略構成図である。

本発明の第１実施形態に係る観察装置を図面を参照して以下説明する。なお、各図は本実施形態の内容を理解し易いように実際の寸法と異なる寸法で描かれている。
この観察装置は、図１に示すように、ＬＥＤ、ハロゲンランプ等の周知の発光素子を有する光源１０と、光源１０の光軸ＬＡの方向に配置された光学要素２０と、光源要素２０の下方に観察対象物であるサンプルＳを支持するサンプル支持台３０と、光学要素２０の上方に配置された周知のカメラから成る観察用センサ４０用の撮像装置４１とを備えている。

光源１０は発光素子からの光を屈折させて光学要素２０に向かわせるレンズ、反射部材等を備えていてもよい。本実施形態では光源１０の光軸ＬＡは水平方向に向いている。
光学要素２０は、光源１０からの照明光を厚さ方向一方の面（以下、「反射面」とも称する。）２１ｄで反射してサンプル支持台３０により支持されたサンプルＳを照明する板状部材２１と、板状部材２１を支持するフレーム２２とを有する。

フレーム２２は観察装置本体（図示せず）又は検査装置本体（図示せず）に支持され、光源１０の光軸ＬＡの直交面Ａに対し、光軸ＬＡに直交するＸ軸周りに反射面２１ｄが角度α（本実施形態では４５°）だけ傾斜するように、板状部材２１を支持している。なお、板状部材２１への照明光の入射を許容すると共に、サンプルＳからの光が板状部材２１の下記孔２１ａを通過して撮像装置４１に入射されるように、フレーム２１が構成されている。

板状部材２１には板厚方向に貫通する複数の孔２１ａが設けられ、観察対象物Ｓからの光が各孔２１ａを介して撮像装置４１に入射される。本実施形態では板状部材２１の反射面２１ｄは平面であり、反射面２１ｄに沿うと共にＸ軸に直交する軸をＹ軸と称する。図２に示すように、平面視において各孔２１ａはＹ軸方向に長い長穴であり、六角形である。当該六角形は、Ｘ軸方向に対向し互いに略平行な一対の辺を有すると共に、Ｙ軸方向の両側にそれぞれ２辺ずつ有し、Ｙ方向の各端に頂点２１ｃが形成されている。本実施形態では、各孔２１ａは、Ｙ軸方向の寸法がＸ軸方向の寸法の１．４倍以上である長穴であるが、１．２倍以上であれば同様の効果が期待できる。

複数の孔２１ａはＸ軸方向に第１のピッチＰ１で配置され、Ｙ軸方向に第２のピッチＰ２で配置されている。本実施形態では、Ｐ１は０．５ｍｍ以下であり、Ｐ２はＰ１より大きい。

板状部材２１は金属やプラスチックから成り、好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは０．３ｍｍ以下の厚さ寸法を有する。板状部材２１が金属から成る場合、フォトエッチングにより板状部材２１を製造することが可能である。より好適な例としては、フォトエッチングにより形成され０．１ｍｍ程度の厚さ寸法を有する複数の薄板部材を拡散接合、接着等により接合して板状部材２１を製造し、その時に薄板部材をＹ軸方向に少しずつずらしながら接合するものを挙げることができる。例えば、図３に示すように、反射面２１ｄと各孔２１ａの中心軸線２１ｂとのなす角度が前記角度αになるように薄板部材をＹ軸方向にずらしながら接合することができる。

また、板状部材２１の反射面２１ｄは白色面、鏡面加工面等の光の反射率が高い面であり、板状部材２１の反射面２１ｄと反対側の面は黒色面等の反射率が低い面となっている。複数の薄板部材を接合して板状部材２１を形成する場合は、最もサンプルＳ側に配置される薄板部材を反射率が高くなるような色、面粗度で作り、最も撮像装置４１側に配置される薄板部材を反射率が低くなるような色、面粗度で作る。
なお、板状部材２１にレーザ加工によって複数の孔２１ａを形成することも可能である。さらに、板状部材２１ａがプラスチックから成る場合、複数の孔２１ａを型により形成することも可能である。

なお、板状部材２１とサンプルＳとの間に反射部材やレンズを設けることも可能であり、板状部材２１と撮像装置４１との間に反射部材やレンズを設けることも可能である。

観察用センサ４０は周知のコンピュータから成る制御部４２を有する。制御部４２は、撮像装置４１により撮像される動画や静止画に二値化処理、エッジ強調処理等の周知の画像処理を施し、処理後画像に基づく検査用又は観察用の画像の作成、検査又は観察に関する判断等を行うように構成されている。なお、観察用センサ４０が、撮像装置４１により撮像される動画や静止画をそのまま所定の表示装置に表示するように構成されていてもよい。

本実施形態によれば、板状部材２１の厚さ方向一方の面により光源１０からの照明光がサンプルＳに向かって反射し、サンプルＳからの光が板状部材２１に設けられた複数の孔２１ａを通過して観察用センサ４０に入射し、例えば落射観察を行うことができる。また、板状部材２１は照明光を曲げる機能と、サンプルＳからの光を通過させる機能を有するが、この部分にレンズが設けられていないので、ゴースト現象が発生しない。

また、各孔２１ａはＹ軸方向に長い長孔であることから、撮像装置４１から見た際に孔２１ａの開口面積（サンプルＳ側が見える面積）が大きくなり、サンプルＳの画像を鮮明にする上で有利である。
また、各孔２１ａの中心軸線２１ｂは板状部材２１の厚さ方向一方の面に対しＹ軸方向に傾斜しており、撮像装置４１から見た際の孔２１ａの開口面積を大きくする上で有利である。

また、各孔２１ａは平面視においてＹ軸方向の一端および他端に頂点２１ｃを有する六角形であり、本実施形態では頂点２１ｃの内角は１５０°以下である。このため、光源１０からの照明光が板状部材２１の厚さ方向一方の面でサンプルＳに向かって反射する際に、光源１０からの照明光の一部が各孔２１ａ内にも入り各孔２１ａのＹ軸方向の一端側面又は他端側面に照射され、当該面でも照明光が反射するが、その反射光のうち撮像装置４１側に向かう光の量を効果的に低減することができる。なお、内角が１７５°以下であれば同様の効果を期待することができる。

変形例として、図４および図５に、板状部材２１の各孔２１ａが平面視で長方形であり、各孔２１ａのＹ軸方向の一端側の壁面２１ｅおよび他端側の壁面２１ｆが反射面２１ｄに対して９０°の角度をなす場合を示す。この場合でもゴースト現象は発生しないが、光源１０からの照明光が板状部材２１の厚さ方向一方の面でサンプルＳに向かって反射する際に、光源１０からの照明光の一部が各孔２１ａのＹ軸方向の一端側の壁面２１ｅ又は他端側の壁面２１ｆにより撮像装置４１に向かって反射する。当該反射光は撮像装置４１によるサンプルＳの観察又は検査に好ましくない場合がある。

これに対し、本実施形態では、各孔２１ａのＹ軸方向の一端側の壁面又は他端側の壁面による前記反射光のうち撮像装置４１側に向かう光の量を効果的に低減することができるので、サンプルＳの観察又は検査の精度をより向上する上で有利である。
なお、各孔２１ａが平面視で長方形である場合でも、図６のように各孔２１ａのＹ軸方向の一端側の壁面２１ｅおよび他端側の壁面２１ｆのうち光源１０からの照明光が入射する入射側の壁面と反射面２１ｄとのなす角度が９０°ではなく、例えば８５°以下であり、このように入射側の壁面がＹ軸方向に傾斜している場合は、当該壁面によって撮像装置４１に向かう光の量を低減し、サンプルＳの観察又は検査の精度をより向上することが可能となる。

このように入射側の壁面をＹ軸方向に傾斜させるために、複数の薄板部材を接合して板状部材２１を形成する場合は、薄板部材の孔をＹ軸方向に少しずつずらすことも可能であるが、１枚の金属製の板を用いて板状部材２１を形成する場合は、図６に示すようにフォトエッチング時に一般的に生ずる傾向があるサイドエッチング（Ｙ方向への浸食が厚さ方向の位置により異なる現象）により、Ｙ軸方向の一端側の壁面や他端側の壁面と反射面２１ｄとのなす角度を例えば８５°以下とすることも可能である。なお、壁面の一部又は全部がなす角度が８５°を超え９０°未満の範囲であっても、入射側の壁面がＹ軸方向に傾斜していれば、前述と同様の作用を奏する場合もある。また、エッチング液を厚さ方向一方の面と他方の面の両方から付ける両面エッチングの場合は、サイドエッチングにより、厚さ方向一方の面から厚さ方向中央部迄の傾斜面と、厚さ方向他方の面から厚さ方向中央部迄の傾斜面とができる。

また、板状部材２１の反射面２１ｄと反対側の面は黒色であることから、光源１０からの照明光のうち反射面２１ｄで反射せずに各孔２１ｄを通過した光がフレーム２２等により反射する場合や、サンプルＳからの光が撮像装置４１により板状部材２１側に反射する場合に、当該反射光が撮像装置４１側に届くことを極力防止することができ、これはサンプルＳの観察又は検査の精度を向上する上で有利である。
また、各孔２１ｄの内周面が黒色である場合は、同様にサンプルＳの観察又は検査の精度を向上する上で有利である。

なお、黒色の面にする代わりに、艶消しのための処理が行われた面、艶消し塗装が行われた面、艶消しのために粗した面等の反射防止を目的とした面としてもよい。艶消しのための処理は、化学的な梨地処理、物理的な梨地処理等を含む。艶消しのために粗した面はＲａで０．００８ｍｍ以上の面粗度を有することが好ましい。

なお、上記実施形態および変形例において、図７に示すように、板状部材２１の反射面２１ｄをサンプルＳに向かって凹湾曲するように配置することも可能である。この場合、照明光を凹湾曲した反射面２１ｄにより集光することができる。反射面２１ｄを凹湾曲させる際に、図７のようにＸ軸方向に曲率を有するように凹湾曲させることも可能であり、Ｙ軸方向に曲率を有するように凹湾曲させることも可能である。

さらに、上記実施形態および変形例において、図８に示すように、角度αを４５°以外の角度とし、撮像装置４１を角度αに応じた位置に配置することも可能である。なお、撮像装置４１の位置は、孔２１ａを通してサンプルＳを観察できる位置であればよい。

なお、上記実施形態および変形例において、観察用センサ４０の代わりに観察光学系を配置することも可能である。この場合、観察光学系は例えば複数のレンズおよび接眼レンズを有し、観察者は接眼レンズに目を近づけて観察を行う。

さらに、上記実施形態および変形例において、光源１０が線状の光を供給するものであり、撮像装置４１がラインセンサカメラであってもよい。例えば、図１において光源１０が紙面の奥行方向（Ｘ軸に平行な方向）に複数のＬＥＤを有し、板状部材２１の反射面２１ｄ上における線状の照明位置を照明する。当該線状の照明位置は紙面の奥行方向に長手を有する。このため、サンプルＳの照明位置も紙面の奥行方向に長手を有することになるので、ラインセンサカメラも紙面の奥行方向に受光素子が並ぶように配置される。

また、板状部材２１がＸ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ数十ｃｍやそれ以上の寸法を有し、撮像装置２１や観察光学系が板状部材２１の寸法に対応した範囲を観察するものであってもよい。
なお、光学要素２０にフレーム２２を設けずに、板状部材２１が観察装置本体（図示せず）又は検査装置本体（図示せず）に直接支持されていてもよい。

１０…光源、２０…光学要素、２１…板状部材、２１ａ…孔、２１ｂ…中心軸線、２１ｃ…頂点、２１ｄ…反射面（厚さ方向一方の面）、３０…サンプル支持台、４０…観察用センサ、４１…撮像装置、Ｓ…サンプル

Claims (9)

1. 光源からの照明光が厚さ方向一方の面により観察対象物に向かって反射し該観察対象物を前記照明光により照明する板状部材を有する光学要素であって、
   前記板状部材に板厚方向に貫通する複数の孔が設けられ、前記観察対象物からの光が前記複数の孔を通過して前記板状部材の厚さ方向他方の面側に配置された所定の観察光学系又は観察用センサに入射するように構成されている光学要素。
2. 前記板状部材の前記厚さ方向一方の面は、略平面状であると共に、前記厚さ方向一方の面に入射する前記照明光の光軸の直交面に対し該光軸に直交するＸ軸周りに傾斜した位置に配置されており、
   前記Ｘ軸に直交すると共に前記厚さ方向一方の面に沿う軸をＹ軸とした場合に、前記各孔は、前記板状部材の板厚方向から見た際に前記Ｙ軸方向に長い長孔である請求項１に記載の光学要素。
3. 前記板状部材の前記厚さ方向一方の面は、略平面であると共に、前記厚さ方向一方の面に入射する前記照明光の光軸の直交面に対し該光軸に直交するＸ軸周りに傾斜した位置に配置されており、
   前記Ｘ軸に直交すると共に前記厚さ方向一方の面に沿う軸をＹ軸とした場合に、前記各孔の中心軸線は前記厚さ方向一方の面に対し前記Ｙ軸方向に傾斜している請求項１又は２に記載の光学要素。
4. 前記板状部材の前記厚さ方向一方の面は、略平面であると共に、前記厚さ方向一方の面に入射する前記照明光の光軸の直交面に対し該光軸に直交するＸ軸周りに傾斜した位置に配置されており、
   前記Ｘ軸に直交すると共に前記厚さ方向一方の面に沿う軸をＹ軸とした場合に、前記各孔において前記Ｙ軸方向に対向する位置に配置された２つの壁面のうち少なくとも一方の壁面が前記厚さ方向一方の面に対し垂直方向に延びるのではなく傾斜している請求項１又は２に記載の光学要素。
5. 前記板状部材の前記厚さ方向一方の面は、略平面であると共に、前記厚さ方向一方の面に入射する前記照明光の光軸の直交面に対し該光軸に直交するＸ軸周りに傾斜した位置に配置されており、
   前記Ｘ軸に直交すると共に前記厚さ方向一方の面に沿う軸をＹ軸とした場合に、前記各孔は平面視において前記Ｙ軸方向の一端および他端の少なくとも一方に頂点を有する多角形であり、当該頂点は１７５°以下の内角を有する請求項１又は２に記載の光学要素。
6. 前記板状部材の厚さ方向他方の面は、黒色面、艶消しのための処理が行われた面、艶消し塗装が行われた面、艶消しのために粗した面等の反射防止を目的とした面である請求項１〜５の何れかに記載の光学要素。
7. 前記板状部材の前記各孔の内壁面は、黒色面、艶消しのための処理が行われた面、艶消し塗装が行われた面、艶消しのために粗した面等の反射防止を目的とした面である請求項１〜６の何れかに記載の光学要素。
8. 請求項１〜７の何れかに記載の光学要素と、
   該光学要素の前記板状部材の前記厚さ方向一方の面に前記照明光を供給する前記光源と、
   前記板状部材の前記複数の孔を通過した前記観察対象物からの光が入射する前記観察光学系又は前記観察用センサとを備える観察装置。
9. 光源からの照明光を板状部材の厚さ方向一方の面により観察対象物に向かって反射し、これにより該観察対象物を前記照明光により照明するステップと、
   前記板状部材を板厚方向に貫通するように設けられた複数の孔を介して前記板状部材の向こう側の前記観察対象物を観察するステップとを有する観察方法。

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