JP2023047919A - 形状計測装置用光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、輝度ムラを低減できる形状計測装置用光学系を提供する。【解決手段】本発明の形状計測装置用光学系Ａは、円盤状の被測定物体Ｏｂの外周端縁部分である被測定部に対し、被測定物体Ｏｂの円形面に沿うように、かつ、前記被測定部が光束の中に配されるように平行光を照射する平行光照射系１と、前記被測定部の影像が投影されるイメージセンサを含み、前記被測定部の影像を撮像する撮像光学系２とを備え、平行光照射系１は、点光源１１ａと、点光源１１ａからの光を平行光にして射出するコリメータレンズ１２と、コリメータレンズ１２からの光が被測定物体越しに照射されるテレセントリックレンズ１３とを備え、点光源１１ａは、ＬＥＤ１１１と、ＬＥＤ１１１からの光を拡散して射出する拡散部材の一例としての光ファイバー１１２ａと、光ファイバー１１２ａからの光が入射されるピンホールを形成したピンホール部材１１３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、平行光を被測定物体越しにイメージセンサに向けて照射し、イメージセンサに投影された被測定物体の影像により被測定物体の２次元形状を計測する形状計測装置に用いられる形状計測装置用光学系に関する。

平行光を被測定物体越しにイメージセンサに向けて照射し、イメージセンサに投影された被測定物体の影像により被測定物体の２次元形状を計測する形状計測装置に用いられる形状計測装置用光学系は、例えば、特許文献１に開示されている。

この特許文献１に開示された形状計測装置用光学系は、円盤状の被測定物体の外周端縁部分である被測定部に対し、前記被測定物体の円形面に沿うように、かつ、前記被測定物体の前記被測定部が光束の中に配されるように平行光を照射する平行光照射系と、前記被測定部の影像を撮像する撮像光学系とを具備し、前記平行光照射系が、白色ＬＥＤを有する点光源と、前記点光源からの光を入射させて平行光をつくるためのコリメータレンズと、前記コリメータレンズからの光が被測定物体越しに照射される、両側又は物体側テレセントリック構造のテレセントリックレンズとを備え、前記撮像光学系が、前記テレセントリックレンズを通過した光による前記被測定部の影像が投影されるイメージセンサを備える。

特許第４５００１５７号公報

ところで、特許文献１に開示された形状計測装置用光学系では、輝度の高い白色ＬＥＤが用いられる場合では、その指向性のため、ピンホールの通過後の光に輝度ムラが生じ、その結果、被測定物体の外周端縁部分の輪郭形状に歪みが生じてしまう虞がある。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、輝度ムラを低減できる形状計測装置用光学系を提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる形状計測装置用光学系は、円盤状の被測定物体の外周端縁部分である被測定部に対し、前記被測定物体の円形面に沿うように、かつ、前記被測定物体の前記被測定部が光束の中に配されるように平行光を照射する平行光照射系と、前記被測定部の影像を撮像する撮像光学系とを備え、前記平行光照射系は、点光源と、前記点光源からの光を平行光にして射出するコリメータレンズと、前記コリメータレンズからの光が被測定物体越しに照射される、両側または物体側テレセントリック構造のテレセントリックレンズとを備え、前記撮像光学系は、前記テレセントリックレンズを通過した光による前記被測定部の影像が投影されるイメージセンサを備え、前記点光源は、ＬＥＤと、前記ＬＥＤからの光を拡散して射出する拡散部材と、前記拡散部材からの光が入射されるピンホールを形成したピンホール部材とを備える。好ましくは、上述の形状計測装置用光学系において、前記平行光照射系は、前記被測定物体を配さない場合で前記イメージセンサに照射された光の輝度分布が２５％以下（さらに好ましくは２０％以下）となるように、前記平行光を照射する。

このような形状計測装置用光学系は、白色ＬＥＤからの光を拡散部材で拡散してからピンホールに入射させるので、輝度ムラを低減できる。

他の一態様では、上述の形状計測装置用光学系において、前記拡散部材は、光ファイバーである。

これによれば、前記拡散部材が光ファイバーである形状計測装置用光学系が提供できる。

他の一態様では、上述の形状計測装置用光学系において、前記光ファイバーは、曲げられた形状である。好ましくは、上述の形状計測装置用光学系において、前記光ファイバーは、巻き回された形状である。

このような形状計測装置用光学系は、前記光ファイバーが曲げられた形状であるので、前記光ファイバーが直線形状である場合に較べてより多く反射してコア内を光が伝播するから、より好適に光を拡散でき、輝度ムラをより低減できる。

他の一態様では、上述の形状計測装置用光学系において、前記拡散部材は、積分球である。

これによれば、前記拡散部材が積分球である形状計測装置用光学系が提供できる。

本発明にかかる形状計測装置用光学系は、輝度ムラを低減できる。

実施形態における形状計測装置用光学系の構成を説明するための模式図である。 輝度分布の演算手法を説明するための図である。 前記形状計測装置用光学系に用いられる変形形態の点光源の構成を説明するための模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の１または複数の実施形態が説明される。しかしながら、発明の範囲は、開示された実施形態に限定されない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

図１は、実施形態における形状計測装置用光学系の構成を説明するための模式図である。実施形態における形状計測装置用光学系Ａは、平行光を被測定物体越しにイメージセンサに向けて照射し、イメージセンサに投影された被測定物体Ｏｂの影像により被測定物体Ｏｂの２次元形状を計測する形状計測装置に用いられる光学系であって、例えば、図１に示すように、円盤状の被測定物体Ｏｂの外周端縁部分である被測定部に対し、前記被測定物体Ｏｂの円形面に沿うように、かつ、前記被測定物体Ｏｂの前記被測定部が光束の中に配されるように平行光を照射する平行光照射系１と、前記被測定部の影像を撮像する撮像光学系２とを備える。

被測定物体Ｏｂは、円盤状の部材であれば、任意の部材であってよく、例えば、半導体ウェハやハードディスクの基板（アルミニウム製基板やガラス製基板）等である。

平行光照射系１は、点光源１１ａと、コリメータレンズ１２と、テレセントリックレンズ１３とを備える。

点光源１１ａは、ＬＥＤ１１１（発光ダイオード）１１１と、拡散部材１１２（例えば光ファイバー１１２ａ）と、ピンホール部材１１３とを備える。

ＬＥＤ１１１は、光を射出する光源である。

拡散部材１１２は、ＬＥＤ１１１からの光を拡散して射出する部材であり、図１に示す例では、その一例としての光ファイバー１１２ａである。光ファイバー１１２ａは、ＬＥＤ１１１からの光を、そのコア内で反射を繰り返して伝播し、射出する。この反射の繰り返しによってＬＥＤ１１１からの光が拡散される。前記光ファイバーが直線形状である場合に較べてより多く反射できることから、光ファイバー１１２ａは、曲げられた形状であることが好ましく、図１に示す例では、光ファイバー１１２ａは、巻き回された形状（コイル形状）である。巻き回された光ファイバー１１２ａにおけるコイル形状の径および巻き数は、必要な光の拡散に応じて好適に設定され、一例では、半径約５０ｍｍで巻き数３以上である。光ファイバー１１２ａは、例えばガラス製であってよく、あるいは、例えば樹脂製であってよく、その材質は、特に限定されない。

ピンホール部材１１３は、ＬＥＤ１１１から射出される白色光を遮光する板状の部材であり、前記板状の部材には、拡散部材１１２（この例では光ファイバー１１２ａ）からの光が入射される、貫通開口のピンホールが形成されている。前記ピンホールの直径は、小さいほど好ましいが、小さ過ぎると形状計測に十分な光量が得られないため、好ましくは、１μｍ～１ｍｍの範囲内であり、より好ましくは、１０μｍ～８００μｍの範囲内である。

光ファイバー１１２ａの直径は、ピンホールの直径と同一であることが好ましく、したがって、好ましくは、１μｍ～１ｍｍの範囲内であり、より好ましくは、１０μｍ～８００μｍの範囲内である。

このような構成の点光源１１ａでは、ＬＥＤ１１１からの白色光は、光ファイバー１１２ａに入射され、光ファイバー１１２ａのコア内で反射を繰り返して伝播して光ファイバー１１２ａから射出され、ピンホール部材１１３のピンホールに入射される。

コリメータレンズ１２は、点光源１１ａからの光を平行光（平行光束）にして射出する光学系（単レンズおよびレンズ群を含む）である。コリメータレンズ１２とピンホール部材１１３とは、ピンホール部材１１３のピンホールがコリメータレンズ１２の焦点位置に位置するように、配置される。

テレセントリックレンズ１３は、コリメータレンズ１２からの光が被測定物体Ｏｂ越しに照射される、両側または物体側テレセントリック構造の光学系である。図１に示す例では、テレセントリックレンズ１３は、両側テレセントリック構造の光学系であり、第１レンズ（レンズ群を含む）１３１の後側焦点と第２レンズ（レンズ群を含む）１３３の前側焦点とを一致させて２つのレンズ１３１、１３３を配列し、この焦点位置に可変の絞り（開口絞り）１３２を備えて構成されている。このテレセントリックレンズ１３は、物体側（被測定物体Ｏｂ側）、像側（撮像光学系２側）とも主光線が光軸ＡＸに対して平行であり、被測定物体Ｏｂ通過後の光のうち平行光（平行に極めて近い光を含む）のみを通過させる。コリメータレンズ１２と第１レンズ１３１との間隔距離は、例えば２００ｍｍ程度に設定されており、被測定物体Ｏｂは、このコリメータレンズ１２から第１レンズ１３１への平行光束のなかに配される。被測定物体の外周端縁部分である被測定部の形状を好適に計測できるように、被測定物体Ｏｂは、その表裏各面が光軸ＡＸと平行になるように配されることが好ましい。

なお、被測定物体Ｏｂ通過後の光のうち平行光（平行に極めて近い光を含む）のみを通過させるようにすべく、テレセントリックレンズ１３は、上述の両側テレセントリック構造の光学系に代えて、物体側（被測定物体Ｏｂ側）のみ主光線が光軸に対して平行となる物体側テレセントリック構造の光学系であってもよい。この物体側テレセントリック構造の場合、絞りの後側の第２レンズとしては一般の結像レンズが用いられる。

撮像光学系２は、テレセントリックレンズ１３を通過した光による、被測定物体Ｏｂの外周端縁部分である被測定部の影像が投影されるイメージセンサを備える。前記イメージセンサは、例えば、２次元ＣＣＤイメージセンサや２次元ＣＭＯＳイメージセンサ等である。

上記構成の平行光照射系１は、被測定物体Ｏｂの外周端縁部分の影像をより良好に撮像光学系２のイメージセンサに形成するために、被測定物体Ｏｂを配さない場合で前記イメージセンサに照射された光の輝度分布が２５％以下となるように、前記平行光を照射することが好ましく、前記輝度分布が２０％以下となるように、前記平行光を照射することがより好ましい。形状計測測定装置は、輝度分布がないとして最適化されているため、輝度分布は小さいほどよい。ただし、さらに改善するためには、ピンホール径やファイバー径を小さくして、より理想的な点光源に近づけることが有効であるが、径を小さくすると入射する光量が減ってしまうため測定に適さない。必要な光量を得るため電圧を上昇させるとＬＥＤ１１１の寿命が短くなるなどのデメリットが生じる虞れがある。

このような構成の形状計測装置用光学系Ａを備えた形状計測装置は、撮像光学系２の前記イメージセンサから出力される、被測定物体Ｏｂの外周端縁部分の影像を撮像した画像（画像データ）を、例えばエッジを抽出するエッジ抽出処理等の所定の画像処理を施すことによって、被測定物体Ｏｂの外周端縁部分における外輪郭を抽出することにより、被測定物体Ｏｂの外周端縁部分の形状を計測できる。

本実施形態における形状計測装置用光学系Ａは、点光源１１ａを備えることで、コリメータレンズ１２を経て、できるだけ完全に近い平行な光を被測定物体越しに照射することができるとともに、テレセントリックレンズ１３により、被測定物体通過後の光のうち平行光（平行に極めて近い光を含む）のみを通過させることができるので、光軸方向に沿う奥行き長さが長い被測定物体Ｏｂであっても、撮像光学系２の前記イメージセンサにおいて輪郭のボケの程度が小さい良好な被測定物体Ｏｂの外周端縁部分の影像を得ることができる。よって、被測定物体Ｏｂが光軸方向に沿う奥行き長さが長い例えば半導体ウェハであっても、撮像光学系２の前記イメージセンサにおいて輪郭のボケの程度が小さく、良好な半導体ウェハの外周端縁部分の影像を捉えることができる。

本実施形態における形状計測装置用光学系Ａは、ＬＥＤ１１１からの光を拡散部材１１２、上述の例では光ファイバー１１２ａで拡散してからピンホールに入射させるので、輝度ムラを低減できる。

本実施形態によれば、前記拡散部材が光ファイバーである形状計測装置用光学系Ａが提供できる。

本実施形態における形状計測装置用光学系Ａは、光ファイバー１１２ａが曲げられた形状であるので、光ファイバーが直線形状である場合に較べてより多く反射してコア内を光が伝播するから、より好適に光を拡散でき、輝度ムラをより低減できる。

次に、実施例および比較例について説明する。図２は、輝度分布の演算手法を説明するための図である。

実施例における形状計測装置用光学系の点光源１１ａには、ＬＥＤ１１１が用いられ、拡散部材１１２に、半径５０ｍｍでコイル形状に３回巻き回された光ファイバーが用いられ、ピンホール部材１１３に、φ４００μｍのピンホールを形成した板状の部材が用いられた。前記面発光型ＬＥＤは、ＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤと、その表面に塗布されたＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の黄色蛍光体とを備えて構成されている。コリメータレンズ１２には、焦点距離ｆ：５０ｍｍのコリメータレンズが用いられ、テレセントリックレンズ１３には、光学倍率２倍の物体側テレセントリックレンズが用いられた。撮像光学系２のイメージセンサには、２次元ＣＭＯＳイメージセンサが用いられた。前記物体側テレセントリックレンズは、ワーキングディスタンス（レンズ先端から被測定物体までの距離）：約１１０ｍｍである。

一方、比較例における形状計測装置用光学系は、上述の実施例における形状計測装置用光学系から、拡散部材１１２（上述の例ではコイル形状の光ファイバー１１２ａ）を除いた構成である。

実施例の形状計測装置用光学系における輝度分布は、１１％であり、比較例の形状計測装置用光学系における輝度分布は、２６％であった。したがって、実施例の形状計測装置用光学系は、比較例の形状計測装置用光学系に較べ、輝度ムラが改善されている。

前記輝度分布ＢＤは、例えば図２に示すように、被測定物体Ｏｂを形状計測装置用光学系に配さない場合において、撮像光学系２の前記イメージセンサに照射された光による画像Ｐにおける対角線ＬＮでの最大輝度Ｂｍａｘおよび最小輝度Ｂｍｉｎを用いて次式１から求めた。
式１；ＢＤ＝（１－Ｂｍｉｎ／Ｂｍａｘ）×１００［％］

なお、上述の実施形態では、拡散部材１１２は、光ファイバー１１２ａであったが、拡散部材１１２は、積分球であってもよい。これによれば、拡散部材が積分球である形状計測装置用光学系が提供できる。

図３は、前記形状計測装置用光学系に用いられる変形形態の点光源の構成を説明するための模式図である。

このような変形形態の形状計測装置用光学系Ａは、上述の構成において、点光源１１ａに代え、図３に示す点光源１１ｂを備える。この図３に示す点光源１１ｂは、白色ＬＥＤ１１１と、積分球１１２ｂと、ピンホール部材１１３とを備える。これら白色ＬＥＤ１１１およびピンホール部材１１３は、それぞれ、図１を用いて説明した上述の白色ＬＥＤ１１１およびピンホール部材１１３と同様であるので、その説明を省略する。

積分球１２ｂは、中空の球体部材であり、白色ＬＥＤ１１１からの光が入射される入射開口と、前記球体部材の内部で拡散反射した光をピンホール部材１１３のピンホールへ射出する射出開口とを備える。前記球体部材の内面（内壁面）には、効率よく拡散反射させるために、例えば酸化マグネシウムや酸化バリウムや酸化亜鉛等が塗布される。

このような構成の点光源１１ｂでは、白色ＬＥＤ１１１からの白色光は、その入射開口を介して積分球１２ｂに入射され、積分球内で拡散反射し、積分球１１２ｂからその射出開口を介してピンホール部材１１３のピンホールに入射される。

なお、ＬＥＤ１１１は、積分球内に配置され、前記入射開口が省略されてもよい。この場合、ＬＥＤ１１１からの光が前記射出開口へ直達しないように、ＬＥＤ１１１と前記射出開口との間には、遮光板が設けられる。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

Ａ 形状計測装置用光学系
１ 平行光照射系
２ 撮像光学系
１１ 点光源
１２ コリメータレンズ
１３ テレセントリックレンズ
１１１ ＬＥＤ
１１２ａ 光ファイバー
１１２ｂ 積分球
１１３ ピンホール部材

Claims (4)

1. 円盤状の被測定物体の外周端縁部分である被測定部に対し、前記被測定物体の円形面に沿うように、かつ、前記被測定物体の前記被測定部が光束の中に配されるように平行光を照射する平行光照射系と、
   前記被測定部の影像を撮像する撮像光学系とを備え、
   前記平行光照射系は、点光源と、前記点光源からの光を平行光にして射出するコリメータレンズと、前記コリメータレンズからの光が被測定物体越しに照射される、両側または物体側テレセントリック構造のテレセントリックレンズとを備え、
   前記撮像光学系は、前記テレセントリックレンズを通過した光による前記被測定部の影像が投影されるイメージセンサを備え、
   前記点光源は、ＬＥＤと、前記ＬＥＤからの光を拡散して射出する拡散部材と、前記拡散部材からの光が入射されるピンホールを形成したピンホール部材とを備える、
   形状計測装置用光学系。
2. 前記拡散部材は、光ファイバーである、
   請求項１に記載の形状計測装置用光学系。
3. 前記光ファイバーは、曲げられた形状である、
   請求項２に記載の形状計測装置用光学系。
4. 前記拡散部材は、積分球である、
   請求項１に記載の形状計測装置用光学系。

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