JP3113364B2

JP3113364B2 - 走査型光学検査装置

Info

Publication number: JP3113364B2
Application number: JP04005486A
Authority: JP
Inventors: 武田重人
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1992-01-16
Filing date: 1992-01-16
Publication date: 2000-11-27
Anticipated expiration: 2015-11-27
Also published as: JPH05187839A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共焦点走査型光学検査
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】共焦点型の走査型顕微鏡は、従来の光学
顕微鏡に比べて、空間分解能にすぐれている。特に、深
さ分解能がすぐれているために、形状計測、螢光像観察
に多用されてきている。また、走査型であることによ
り、オービック（Optical Beam Induced Current）に代
表される光相互作用の２次元的分布の観察表示なども行
なわれている。

【０００３】また、形状計測等への応用には、そのスル
ープットの良さが求められ、また、ビームを走査する速
度が問題になる。そして、ＴＶレート程度の走査速度が
要求されるが、従来法では、ＡＯＤ（音響光学偏向器）
による光束偏向（Ｘ偏向）とガルバノメータによるＸ偏
向と直交する低速偏向（Ｙ偏向）との組合わせが用いら
れている。他の偏向方法、例えば、コピー機でのポリゴ
ンミラーやＰＯＳでのホログラムスキャナー等のモータ
ーの回転を利用する方法や共振型のガルバノメータ等で
は、ＴＶレート程度の走査速度は、現状では簡単には実
現できない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、前
記のような、従来の走査型光学検査装置の欠点を解消す
るために、即ち、ＡＯＤには圧電素子の帯域により制限
される“偏向角が小さい”という欠点と、偏向効率を上
げるためビーム径を大きくする必要から生じる“非点隔
差が生じる”と、更には、“高価である”欠点を解決す
るためである。偏向角の小ささは、縦続接続により改良
できるが、偏向中心の入射瞳からのズレが生じる、或い
は、更に高価になる等の異種の問題が出てくる。また、
非点隔差は、軸ずらしシリンドリカルレンズにより補正
が可能であるが、偏向速度が可変できず、レンズ軸の傾
きによる走査方向ズレが生じ易い等の問題がある。本発
明は、上記のような問題に鑑みて、高速な走査を安価に
実現できる共焦点走査型検査装置を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】従って、本発明は、前記
のような、従来の走査型光学検査装置の欠点を解消する
ために、半導体レーザ（以下、本明細書では、ＬＤと称
する）と、該ＬＤを駆動するＬＤ駆動手段と、該ＬＤを
光源とし、その光源からのレーザ光束を、第１のスリッ
ト状レーザ光束に変換する光束変換光学系と、該第１の
スリット状レーザ光束のスリット方向に該第１のスリッ
ト状レーザ光束を走査する走査手段と、該走査手段から
の平行ビームを標本上に集光し、また、該走査手段から
の発散ビームを平行ビームとして、該標本上に転送し、
光軸に垂直な面内において、偏向ミラーで反射した後の
第１のスリット状レーザ光束に、垂直な第２のスリット
状レーザ光束を形成する対物レンズと、前記光束変換光
学系と、前記走査手段との間に配置され、該標本からの
反射光を分離する光束分離手段と、該標本と等価な位置
にあり、該光束分離手段を介して、分離された該標本か
らの反射光を受光する、前記の第２のスリット状レーザ
光束に平行な開口を有する一次元ＣＣＤセンサアレイ
（以下、本明細書では、ＣＣＤと称する）とを少なくと
も備え、前記走査手段のステップに合わせて、二次元の
画像を取得することを特徴とする走査型光学検査装置を
提供する。更に、前記のＬＤ駆動手段は、直流駆動手段
と、前記の走査手段の走査に同期して周波数をスイープ
する周波数変調高周波駆動手段と、前記の直流駆動手段
と前記の周波数変調高周波駆動手段からの出力を合成す
る合成手段とを備える装置が好適である。また、前記Ｌ
Ｄ駆動手段は、前記の走査手段の走査に同期した鋸歯状
波パルスにより駆動する装置が好適である。

【０００６】

【作用】本発明の走査型光学検査装置によると、標本を
スリット状光束で照明し、該スリット状光束に、平行な
開口を持つＣＣＤにより受光する。このような構成によ
り、Ｘ走査が省略できて、高速の画像取得が可能とな
り、また、この場合には、非点隔差の補正は、必要ない
ものとなる。

【０００７】更に、レーザ光を用いたスリット状の照明
においては、標本によっては、スペックルが生じ、画像
のＳ／Ｎ比が悪くなる可能性がある。本発明の走査型光
学検査装置により、通常用いられるＨｅ-Ｎｅレーザに
比べて、スペクトルの広いＬＤを、光源として用いてい
ることにより、また、ＬＤ駆動手段として直流駆動に高
周波駆動を重畳させ、該高周波をスイープさせ、それに
より、ＬＤの発振周波数を１Ｈ期間（ＴＶ走査における
一水平走査期間をいう）変化させ、スペックルを平均化
することにより、Ｓ／Ｎ比を向上させることができるＬ
Ｄ駆動手段を提供するものである。

【０００８】別のスペックルの除去手段としては、ＬＤ
を１Ｈ期間を周期とするランプ波駆動し、ＬＤの発振波
長が駆動電流値の変化により変化することを利用して、
ＬＤの発振波長を１Ｈを周期として変えることにより、
スペックル効果を平均化することにより、Ｓ／Ｎ比を向
上させることができるＬＤ駆動手段を提供することがで
きる。

【０００９】次に、本発明を具体的に実施例により説明
するが、本発明はそれらによって限定されるものではな
い。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の走査型光学検査装置の光学
系を示す構成図である。１はＬＤであり、２はレーザ
光、３はコリメータレンズ、４は光束変換手段であるシ
リンドリカルレンズ、１１は光束分離手段であり、５は
偏向ミラー、７は対物レンズ、８は標本である。６は偏
向ミラー上に作られる第１のスリット状光束の状態を示
し、９は、対物レンズで作られ、標本に当てられた第２
のスリット状光束の状態を示し、１３はＣＣＤである。
そして、１２は結像レンズ、１４はハーフミラー或いは
跳ね上げミラー、１５は結像位置、１６は接眼レンズ、
１７はハーフミラー又はダイクロミラー、１８はコンデ
ンサーレンズ、１９はランプを示す。

【００１１】ＬＤからのレーザ光束のｙ成分は、ＬＤの
端面を光源とすることにより、大きな発散角を持つ光束
となり、コリメータレンズ３により規定の幅の平行ビー
ム（ｙビーム）となる。他方、ＬＤからのｘ成分は、端
面からＬＤ内部へ約４μｍ入った点ａを光源とする光束
でありコリメータレンズ３により、これもまたほぼ平行
とみなせるビーム（ｘビーム）となる。更に、ｘビーム
は、ｘ方向にのみパワーを持つシリンドリカルレンズ４
によりｙ偏向を与える偏向ミラー５面上に集光され、６
の第１のスリット状光束を形成する。他方、ｙビーム
は、シリンドリカルレンズ４には影響されずに平行のま
まである。従って、偏向ミラー５面上において、Ｙ−Ｚ
面内に第１のスリット状光束６が得られる。

【００１２】この第１のスリット状光束は、偏向ミラー
５に反射して、対物レンズ７により、標本８上に転送さ
れ、第２のスリット状光束９となる。この時、平行であ
ったｙビームは、対物レンズの開口径（Ｙビームの径）
で規制されるＮＡ（開口径）により得られうるスポット
径にまで集光され、他方、ｘビームは対物レンズ７とシ
リンドリカルレンズ４とをアフォーカル配置とすること
により、平行なビームとなる。即ち、第２のスリット状
光束９は、第１のスリット状光束６とは直交しているこ
とになる。

【００１３】第２のスリット状光束９の標本８による反
射光は、再び対物レンズ７により集められるが、偏向ミ
ラー５を絞りとするテレセントリック系としての集光系
となる。シリンドリカルレンズ４による光束変換光学系
と偏向ミラー５とモーター１０とからなる偏向手段との
間に配置され、入射面をｘ-ｚ面とする４５度ミラー１
１により、これはハーフミラー又は図示していない１／
４波長板と対とされて、使用する偏光ビームスプリッタ
ーの役目をし、反射光を照明光束から分離するものであ
る。

【００１４】その分離された反射光は、対物レンズ７と
アフォーカルに配置した結像レンズ１２により、その焦
点面に第２のスリット状光束９による像を結ぶ。その像
は、第２のスリット状光束９に平行なスリット状の像で
あり、その焦点面に配置されたＣＣＤ１３の開口（即ち
受光面）上に結ばれる。標本８とＣＣＤ１３とは、共焦
点配置であり、照明点外からの迷光は除去される。ま
た、第２のスリット状光束９上の各点とＣＣＤ１３上の
各画素とは、各々、撮影倍率を介して対応しているもの
である。

【００１５】結像レンズ１２とＣＣＤ１３の間に、ハー
フミラー又は図にない機構により跳ね上げ可能なミラー
１４を配置し、そのミラー１４を介して、反射光の一部
又は必要に応じて反射光のすべてを取り出すものであ
る。その取り出された光束は、ＣＣＤ１３と等価な位置
１５に標本像を結び、該像を接眼レンズ１６を介して、
拡大観察し、位置の調整を行なうことができる。

【００１６】また、光束分離手段１１と結像レンズ１２
の間に、ハーフミラー又はダイクロミラー１７を配置
し、そのミラー１７とコンデンサーレンズ１８とを介し
て、偏向ミラー５面上にランプ１９のフィラメントの像
を結び、それにより、標本８をケーラー照明する。図に
ない機構を用いたミラー１４とミラー１７とを同時に光
路中に出し入れし、観察時のみ、ランプ１９により標本
８を照明し、観察することができる。

【００１７】さて、偏向ミラー５は、ｘ軸を回転軸とす
るバルスモーター或いはガルバノメータ１０により回転
され、第２のスリット光束９の標本８上での変位を与え
る。概して、Ｙ走査がなされる。変位した位置の第２の
スリット光束９からの反射光束は、偏向ミラー５により
レーザ光２の光軸上に戻され、光分離手段１１により前
記光軸上から分離され、結像レンズ１２を介して、固定
されているＣＣＤ１３面上に結像される。

【００１８】偏向ミラー５は、モーター１０によりステ
ップ的に回転するが、該ステップ期間（１Ｈ）に、ＣＣ
Ｄ１３は、入射光を積分し、次のステップへ移る間に信
号として高速に読み出される。その信号は、図にない電
気回路によりデジタル信号としてメモリーに書き込まれ
る。その走査をＹ走査範囲に渡って、繰り返し、標本の
２次元画像取得を行なう。メモリーからＴＶレートに従
って信号を読み出し、ＣＲＴ等にて画像として表示す
る。スリット走査では、スリット方向の分解能が、スリ
ット方向の垂直な方向に比べて悪くなる。図１では、ｘ
分解が、ｙ分解より悪くなる。このために、ＣＲＴにお
いて、より高い分解能である水平ラスターにｙ走査信号
を乗せるようなメモリーの読み出しを行なう。また、取
得した画像に基づいた計測、処理を行ない、その結果の
重畳表示等を行なう。

【００１９】次に、表面の粗い標本を走査する場合に発
生する可能性のあるスペックル効果を除去する手段につ
いて、図２、図３を用いて説明する。画像を用いた観察
や計測においては、スペックルは有害な雑音となり、画
像のＳ／Ｎ比を劣化させる原因となる。一般的にスペッ
クルは、標本上の異なる点からの散乱光が観察面上の同
じ点に集まり、両者の光位相の関係に応じて、干渉の程
度が変化するために生じる観察面上でのランダムなコン
トラストの高い光点の分布として、説明されている。

【００２０】レンズを介して観察する場合、そのスポッ
トの直径は、約λＬ／Ｗ（λは波長であり、Ｌはレンズ
と観察面との距離であり、Ｗはレンズの開口径である）
であり、波長とレンズのＮＡに依存する径となる。スペ
ックル効果即ち、観察面上での空間的なランダムな信
号、雑音の発生を抑えるには、該スポット径を観察分解
能より小さい径とする方法、或いは波長が広い範囲に分
布している光源（即ち、可干渉性の悪い光源）を用いる
方法がある。前者では、観測分解画素内で平均化され
る。

【００２１】また、波長が広い範囲に分布している光源
を用いる後者の方法では、波長に依存して光路長が変わ
るためにスペックルの出る位置が、スポット径内で分布
されることにより、観察面上で平均化されてスペックル
効果がなくなる。可干渉性の程度を示すコヒーレント長
は、スペックル効果のない発光ダイオード（ＬＥＤ）に
おいて、約１５μｍであり、他方、スペックルの発生し
易いＨｅ-Ｎｅレーザにおいて、約６ｍである。ＬＤで
は、この距離は、約３ｍｍであり、スペックルは発生す
るが、一般的に使用されているＨｅ-Ｎｅレーザに比べ
て、除去対策を講じ易い光源と云える。高輝度を必要と
する応用例においては、ＬＥＤは不適当であり、ＬＤを
使用することになるが、スペックルを無視できない応用
例では、その除去対策を講じる必要がある。

【００２２】図２の（ａ）は、ＬＤ駆動手段が、直流駆
動手段と、前記の走査手段の走査に同期して周波数をス
イープする周波数変調高周波駆動手段と、前記の直流駆
動手段と前記の周波数変調高周波駆動手段からの出力を
合成する合成手段とを説明するブロック図である。ま
た、図２の（ｂ）は、その動作を説明するための図であ
る。直流駆動手段は、ＬＤ１と、モニター用ホトダイオ
ード（ＰＤ）２０と、ＰＤ出力を電圧に変換するＩ-Ｖ
変換回路２１と、それの出力を受けて、それに含まれる
高周波成分を除くフィルタ２２と、平均の光出力を設定
するレベル設定回路２３と、２２及び２３の信号を受け
てＬＤ１をＡＰＣ（自動出力制御）駆動させる直流駆動
回路２４とからなり、前記直流駆動回路２４により一定
の直流光レベルで駆動される。これにモーター駆動回路
２５によるモーター駆動に同期して、ランプ波を発生さ
せるランプ波発生回路２６からのランプ波をうけて周波
数を変化させる周波数変調高周波駆動手段２７からの周
波数をスイープした高周波を合成する合成手段２８を介
して乗せる。合成手段２８は、２４側をインダクター３
４に接続し、２７側をコンデンサー３５に接続する図示
のような簡単な回路である。

【００２３】この方式は、モード同期に用いられる高周
波キャリヤー変調方法を拡張したものである。高周波に
より発振モードが位相変調を受け、マルチ縦モード化
し、且つ、発振周波数が変化する。図２の（ｂ）の２９
は、重畳する周波数（ｆ）の変化を示し、また、３０
は、モーター駆動タイミングを示し、Ｔ₁期間（１Ｈに
相当する）にＣＣＤ１３は、その入射光を積分するた
め、このＴ₁期間に印加する周波数を変化してやれば、
レーザ発振周波数（波長）は印加した周波数に応じて変
化し、スペックルによるスポット位置、その径が変化す
る。ＣＣＤ１３の信号出力は、図２（ｂ）のＴ₂期間に
読み出される。また、このＴ₂期間にモーター１０は、
１ステップＹ方向で駆動され、次の１Ｈ位置へのスリッ
ト光９で走査する。そのＣＣＤ１３の信号出力には、ス
ペックルによる雑音が空間的に平均化され、雑音として
は、検出されなくなる。

【００２４】図３は、別のスペックル除去手段を説明す
る図である。その（ａ）は、回路のブロックを、また、
その（ｂ）は、そのＬＤ駆動電流を示す。Ｔ₁期間の間
に、駆動電圧をｉ₀を中心にｉ_maxとｉ_minの間を、鋸歯
状波で変化させ、駆動電流レベルにより波長を変化させ
る。即ち、ＬＤがキャリヤー濃度によって屈折率が変化
し、レーザ発振波長が変化することを利用して、スペッ
クル雑音を平均化するものである。モーター駆動回路２
５からのモーター駆動に同期して、鋸歯状波駆動手段３
２により、（ｂ）の３３の曲線で示す駆動電流を作り、
ＬＤ１を駆動するものである。また、ＬＤ１は、ＰＤ２
出力をＩ-Ｖ変換（２１）し、Ｔ₁期間積分し、直流に変
換する積分回路３１とレベル設定回路２３とにより、設
定された平均電流ｉ₀に対応する平均出力レベルを中心
として動作する。

【００２５】スペックル除去の更なる別の手段として
は、発振波長帯域が、ＬＥＤのそれに近く、且つ輝度は
ＬＤに近い所謂ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオ
ード）を光源として用いる方法、或いは、プリズム等の
内部反射等を組合わせて、光路差を持つ光束を多数作
り、それらを重畳して、再度１つの光束とする光学系を
用いる方法で行なうことができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の走査型光
学検査装置により、次のような顕著な技術的効果が得ら
れた。ＸーＹ走査の一方をスリット光とすることにより
高速走査が省略することができ、また、スリット光走査
の場合生じる可能性のあるスペックルによる雑音を抑え
る手段を講じることにより、Ｓ／Ｎ比の良い高速で安価
な共焦点走査型光学検査装置を提供することができるよ
うになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型光学検査装置の光学系を示す説
明図である。

【図２】（ａ）は、本発明によるスペックル雑音除去の
ためのＬＤ駆動手段を示す電気回路のブロックであり、
（ｂ）は、その動作を説明する説明図である。

【図３】（ａ）は、スペックル雑音除去のための異なる
方式のＬＤ駆動手段を示す電気回路ブロック図であり、
（ｂ）は、その動作を説明する説明図である。

【符号の説明】

１半導体レーザ（ＬＤ）３コリメータレンズ４光束変換手段のシリンドリカルレンズ５偏向ミラー６第１のスリット状光束７対物レンズ８標本９第２のスリット状光束１３ＣＣＤ２４直流駆動手段２７周波数変調高周波駆動手段２８合成手段３２鋸歯状波駆動手段

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザ（以下、本明細書では、
ＬＤと称する）と、該ＬＤを駆動するＬＤ駆動手段と、該ＬＤを光源とし、その光源からのレーザ光束を、第１
のスリット状レーザ光束に変換する光束変換光学系と、該第１のスリット状レーザ光束のスリット方向に該第１
のスリット状レーザ光束を走査する走査手段と、該走査手段からの平行ビームを標本上に集光し、また、
該走査手段からの発散ビームを平行ビームとして、該標
本上に転送し、光軸に垂直な面内において、偏向ミラー
で反射した後の第１のスリット状レーザ光束に、垂直な
第２のスリット状レーザ光束を形成するように配置され
た対物レンズと、前記光束変換光学系と、前記走査手段との間に配置さ
れ、該標本からの反射光を分離する光束分離手段と、該標本と等価な位置にあり、該光束分離手段を介して、
分離された該標本からの反射光を受光する、前記の第２
のスリット状レーザ光束に平行な開口を有する一次元Ｃ
ＣＤセンサアレイ（以下、本明細書では、ＣＣＤと称す
る）とを少なくとも備え、前記走査手段のステップに合わせて、二次元の画像を取
得することを特徴とする走査型光学検査装置。
【請求項２】前記のＬＤ駆動手段は、直流駆動手段
と、前記の走査手段の走査に同期して周波数をスイープ
する周波数変調高周波駆動手段と、前記の直流駆動手段
と前記の周波数変調高周波駆動手段からの出力を合成す
る合成手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載
の走査型光学検査装置。
【請求項３】前記ＬＤ駆動手段は、前記の走査手段
の走査に同期した鋸歯状波パルスにより駆動することを
特徴とする請求項１に記載の走査型光学検査装置。