JP3447877B2 - 濃度計測光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、照明光学系から
の照明光を原稿や試料などの計測対象物に照射するとと
もに、計測対象物からの光（反射光，透過光）を対物レ
ンズを介して受光素子の受光面に導き、計測対象物の微
小領域の濃度を計測する濃度計測光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】濃度計測光学系は、画像入力装置、測光
顕微鏡、金属顕微鏡や膜厚測定装置などに組み込まれて
いる。例えば画像入力装置では、原稿シリンダに貼着さ
れた原稿（計測対象物）に照明する照明光学系と、ピッ
クアップレンズ（対物レンズ）と、光電子増倍管（受光
素子）とを備える濃度計測光学系が組み込まれている。
この濃度計測光学系は、照明光学系により原稿に照明光
を照射するとともに、その原稿により反射した反射光あ
るいは原稿を透過した透過光をピックアップレンズによ
り光電子増倍管に入射させて、原稿の画像の一部（微小
領域）を読み取り、その微小領域の濃度に応じた電気信
号を出力する。また、この濃度計測光学系は原稿シリン
ダの回転方向（主走査方向）と直交する副走査方向に移
動自在となっており、原稿シリンダの回転運動と同期し
て、副走査方向に移動する。これにより、原稿全体にわ
たって微小領域の濃度を計測し、原稿に形成された画像
を読み取ることができるようになっている。

【０００３】この画像入力装置において画像を正確に読
み取るためには、濃度計測光学系により微小領域の濃度
を正確に計測する必要がある。このような要請は画像入
力装置に限定されるものではなく、測光顕微鏡、金属顕
微鏡や膜厚測定装置などの濃度計測光学系を組み込んだ
装置全般に共通するものであり、いずれの装置において
も、正確な観察あるいは測定のためには、微小領域の濃
度を正確に計測することができる濃度計測光学系が必要
となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように構成された従来の濃度計測光学系では、微小領域
の濃度を正確に計測することは困難である。その理由に
ついて図１０を参照しながら説明する。

【０００５】例えば、従来の濃度計測光学系により原稿
１に形成された微小黒点２の濃度計測を行った場合、図
１０(b)に示すような像面照度分布が受光素子の受光面
上で得られる。なお、ここでは、散乱光がないものと仮
定している。

【０００６】幾何光学の法則に従って伝播する入射光
（照明光）についてのみ考慮すると、その入射光の一部
は微小黒点２で遮光される一方、残りは微小黒点２以外
の原稿面で反射し、受光素子側に進む。このため、受光
素子の受光面における照度分布は、同図(b)の実線に示
すように、微小黒点２に完全に対応してゼロとなる一
方、微小黒点２以外の原稿面に対応する位置では比較的
高い値をとる。このため、受光素子により検出すること
ができる濃度の最低レベルから最高レベルの範囲（以下
「計測範囲」という）はＲgとなる。

【０００７】しかしながら、受光素子の受光面での像面
照度は、実際には同図(b)の１点鎖線に示すような分布
をとる。これは周辺回折波（=Boundary Diffraction Wa
ve）の影響によるものであり、受光面には幾何光学的な
波である入射波と周辺回折波との合成の結果である回折
像が形成されるからである。

【０００８】この「周辺回折波」とは、光が回折物体に
入射したときに、その端から生じる回折波のことであ
る。上記のように構成された濃度計測光学系では、対物
レンズの絞りが回折物体に相当し、絞りから周辺回折波
が発生する。ここで、受光素子側より見ると、対物レン
ズの瞳の縁から周辺回折波が発生しているように見え
る。なお、この周辺回折波に関しては、例えば「光学の
原理ＩＩ（マックス・ボルン＆エミル・ウォルフ著、草
川徹・横田英嗣訳；東海大学出版会）」の第６７０頁に
おいて詳細に説明されている。ただし、「光学の原理Ｉ
Ｉ」では、"Boundary Diffraction Wave"を「境界回折
波」と訳しているが、「周辺回折波」と同一のものであ
る。

【０００９】このように周辺回折波の影響により回折像
が形成されると、微小黒点２に対応する位置の像面照度
はゼロとならず、ΔＲだけ上昇し、この場合の計測範囲
Ｒg+dは周辺回折波を無視した場合の計測範囲Ｒgよりも
ΔＲだけ狭くなる。なお、散乱光が有る場合には、濃度
の最低レベルが、どの位置においても、一定量だけ増大
する。

【００１０】この計測範囲は、濃度がどの程度まで下が
っても計測することができるかを示すダイナミックレン
ジに関連するものであり、この計測範囲が狭くなること
は、ダイナミックレンジが圧縮されて微小黒点２の濃度
計測の正確さが低減することを意味する。したがって、
従来の濃度計測光学系においては、周辺回折波の存在に
より正確な微小黒点２の濃度計測が困難となるという問
題を有している。

【００１１】この発明は、従来技術における上述の問題
の克服を意図しており、対物レンズの瞳の縁から発生す
る周辺回折波を取り除いて計測対象物の微小領域の濃度
を正確に計測することができる濃度計測光学系を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、照明
光学系からの照明光を計測対象物に照射するとともに、
前記計測対象物からの光を対物レンズを介して受光素子
の受光面に導き、前記計測対象物の微小領域の濃度を計
測する濃度計測光学系であって、上記目的を達成するた
め、第１アパーチャを有し、前記第１アパーチャが前記
受光面と対向するように、前記受光面に対し前記対物レ
ンズ側に配置された第１アパーチャ板と、前記微小領域
からの光のみを前記受光素子側に取り出すサンプリング
手段と、前記対物レンズの瞳の像を前記第１アパーチャ
板に投影する投影手段と、を備えており、前記第１アパ
ーチャの径を前記第１アパーチャ板上に投影される投影
像よりも小さくしている。

【００１３】請求項２の発明は、前記サンプリング手段
を、第２アパーチャを有し、前記対物レンズにより前記
計測対象物の像が形成される位置に配置された第２アパ
ーチャ板により構成している。

【００１４】請求項３の発明は、前記照明光学系による
前記計測対象物の照明範囲を前記微小領域とほぼ同一な
微小照明範囲に制限している。

【００１５】請求項４の発明は、前記照明光学系を前記
微小領域のみを照明し、前記サンプリング手段としても
機能させている。

【００１６】請求項５の発明は、第２アパーチャを有す
る第２アパーチャ板を前記対物レンズにより前記計測対
象物の像が形成される位置に配置し、前記サンプリング
手段として機能させている。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、この発明にかかる濃度計
測光学系の一の実施形態を示す図である。この濃度計測
光学系は、照明光Ｌを計測対象物３に照射する照明光学
系１０と、対物レンズ２０と、サンプリングアパーチャ
板（第２アパーチャ板）３０と、コリメートレンズ４０
と、アパーチャ板（第１アパーチャ板）５０と、光電子
増倍管や固体撮像素子などの受光素子６０とを備えてい
る。

【００１８】照明光学系１０は計測対象物３の裏面全体
に照明光Ｌを照射する照明ユニット１１を備えている。
この照明光学系１０により計測対象物３を照明すると、
計測対象物３を透過した透過光が対物レンズ２０に出射
する。なお、この実施形態では、計測対象物３を透過照
明としているが、後述する実施形態に示すように照明光
学系１０をいわゆる反射型照明光学系とし、計測対象物
３の表面側より照明光を照射し、計測対象物３において
反射した反射光を対物レンズ２０側に出射させるように
してもよい。

【００１９】対物レンズ２０は計測対象物３から一定距
離だけ離れた位置に配置されており、計測対象物３から
の光を受光素子６０側の位置Ｐに集光させて計測対象物
３の像を形成している。

【００２０】このようにして対物レンズ２０の像が形成
された位置Ｐにサンプリングアパーチャ板３０が配置さ
れている。このサンプリングアパーチャ板３０には、ア
パーチャ（第２アパーチャ）３１が形成されており、こ
のアパーチャ３１によって計測対象物３からの光のうち
微小領域４からの光のみを受光素子６０側に切り出す。
このように、この実施形態では、サンプリングアパーチ
ャ板３０が濃度を計測したい微小領域４からの光のみを
受光素子６０側に取り出すサンプリング手段として機能
する。

【００２１】このサンプリングアパーチャ板３０の受光
素子６０側にコリメートレンズ４０が配置されており、
コリメートレンズ４０を介してサンプリングアパーチャ
板３０により切り出された光がアパーチャ板５０を介し
て受光素子６０に入射する。また、この実施形態では、
コリメートレンズ４０により対物レンズ２０の絞り
（瞳）２１の像をアパーチャ板５０に投影しており、コ
リメートレンズ４０が投影手段として機能する。

【００２２】このアパーチャ板５０には、アパーチャ
（第１アパーチャ）５１が設けられ、受光素子６０の受
光面６１と対向配置されている。また、この実施形態で
は、図２に示すように、アパーチャ５１の径Ｄが対物レ
ンズ２０の絞り２１の像Ｉの大きさよりも小さく設定さ
れている。このため、対物レンズ２０の絞り２１から発
生する周辺回折波ＢＤＷをアパーチャ板５０でブロック
することができる。このことを図１および図２を参照し
つつ詳述する。

【００２３】図１の破線に示すように微小領域４からの
光の一部は対物レンズ２０の絞り２１に入射し、絞りの
縁から周辺回折波ＢＤＷが発生する。そして、この周辺
回折波ＢＤＷはサンプリングアパーチャ板３０およびコ
リメートレンズ４０を介してアパーチャ板５０側に伝播
する。ここで、アパーチャ板５０に形成される対物レン
ズ２０の絞り２１の像Ｉを観察すると、絞り２１の縁が
光って見える。このように絞り２１の縁が光って見える
理由は、上記説明から明らかなように対物レンズ２０の
絞り２１の縁から発生した周辺回折波ＢＤＷによるもの
である。この実施形態では、上述したようにアパーチャ
５１の径Ｄを絞り２１の像Ｉよりも小さくしているの
で、周辺回折波ＢＤＷがアパーチャ板５０でブロックさ
れて周辺回折波ＢＤＷの受光素子６０側への伝播が防止
される。したがって、周辺回折波ＢＤＷがアパーチャ板
５０のアパーチャ５１を通過して受光素子６０の受光面
６１に入射するのを防止することができ、周辺回折波Ｂ
ＤＷの影響を排除することができる。

【００２４】図１に戻って、アパーチャ板５０のアパー
チャ５１を通過した光、つまり周辺回折波ＢＤＷを含ん
でいない光は受光素子６０の受光面６１に入射し、その
光に対応した電気信号が受光素子６０から出力される。
このようにして微小領域４の濃度が計測される。

【００２５】以上のように、この実施形態にかかる濃度
計測光学系によれば、対物レンズ２０の絞り（瞳）２１
の縁から発生する周辺回折波ＢＤＷをアパーチャ板５０
でブロックして周辺回折波ＢＤＷの影響を取り除いてい
るので、微小領域４の濃度を正確に計測することができ
る。

【００２６】なお、上記実施形態では、投影手段として
コリメートレンズ４０を設けているが、サンプリングア
パーチャ板３０のアパーチャ３１の径を十分に小さく設
定した場合には、このアパーチャ３１がピンホールカメ
ラのピンホールとして投影手段の機能を果す。このた
め、アパーチャ３１の径を十分に小さくすることで、コ
リメートレンズ４０を設けることなく、上記濃度計測光
学系を構成することができる。

【００２７】また、上記実施形態では、照明光学系１０
により計測対象物３を広く照明しているが、照明光学系
１０による照明範囲を微小領域４とほぼ同一な微小照明
範囲に制限してもよく、この場合、微小領域４以外の領
域からの光が対物レンズ２０に達するのを抑えることが
でき、微小領域４の濃度をより正確に計測することがで
きる。

【００２８】また、コリメートレンズ４０の口径を適当
なサイズに調整することで、コリメートレンズ４０を投
影手段のみならず、サンプリング手段としても機能させ
ることができる。この場合、サンプリングアパーチャ板
３０は不要となる。

【００２９】さらに、上記実施形態では、サンプリング
アパーチャ板３０をサンプリング手段として機能させて
いるが、サンプリングアパーチャ板３０の代わりに照明
光学系を改良することで照明光学系を計測対象物３の照
明手段として機能させるのみならず、サンプリング手段
としても機能させることができる。以下、図３を参照し
つつ、その実施形態について説明する。

【００３０】図３は、この発明にかかる濃度計測光学系
の他の実施形態を示す図である。この濃度計測光学系で
は、照明光学系１０が照明ユニット１１と、照明範囲を
制限するマスク板１２とで構成されている。このマスク
板１２には、微小領域４と同程度の開口サイズを有する
開口１３が設けられており、計測対象物３の裏面側にお
いて開口１３が微小領域４に対応するようにマスク板１
２が配置されている。このため、照明ユニット１１から
照明光Ｌの一部のみが開口１３を通過して微小領域４に
照射される一方、残りの照明光Ｌはマスク板１２で遮光
される。このように、この実施形態では、微小領域４の
みを照明して微小領域４からの光のみを受光素子６０側
に導くようにしている。したがって、この実施形態によ
れば、サンプリングアパーチャ板３０が不要となる。な
お、その他の構成は図１の濃度計測光学系と同一である
ため、同一符号を付して、それらの説明を省略する。

【００３１】この実施形態においても、先に説明した実
施形態と同様に、微小領域４からの光の一部が対物レン
ズ２０の絞り（瞳）２１に入射して、その縁から周辺回
折波ＢＤＷを発生するが、アパーチャ板５０に設けられ
ているアパーチャ５１の径を、コリメートレンズ４０に
よりアパーチャ板５０上に形成される対物レンズ２０の
絞り２１の像Ｉよりも小さくしているので、周辺回折波
ＢＤＷをアパーチャ板５０でブロックして受光素子６０
への周辺回折波ＢＤＷの伝播を防止し、微小領域４の濃
度を正確に計測することができる。

【００３２】なお、図１および図３の濃度計測光学系に
おいて、アパーチャ板５０のアパーチャ５１を可変アパ
ーチャとした場合、対物レンズ２０の開口数を変更する
のと同時に、アパーチャ５１の径Ｄが上記条件（径Ｄが
アパーチャ板５０上での対物レンズ２０の絞りの像Ｉよ
りも小さい）を満足するように、変更後の開口数に合わ
せてアパーチャ５１の径Ｄを調整することで、対物レン
ズ２０の開口数にどのように設定したとしても、常に周
辺回折波ＢＤＷの影響を取り除いて正確に微小領域４の
濃度を計測することができる。

【００３３】次に、上記のように構成された濃度計測光
学系を組み込んだ種々の装置を示す。

【００３４】図４は、この発明にかかる濃度計測光学系
が組み込まれた画像入力装置の一例を示す図である。こ
の画像入力装置１００Ａは原稿シリンダ１０１に貼着さ
れた透過原稿１０２Ａに形成された画像の各部（微小領
域）の濃度を濃度計測光学系により順次計測して画像全
体を読み取る装置である。この画像入力装置１００Ａで
は、濃度計測光学系が、照明光学系１１０Ａと、ピック
アップレンズ（対物レンズ）１２０と、サンプリングア
パーチャ板１３０と、コリメートレンズ１４０と、アパ
ーチャ板１５０と、受光ユニット１６０とで構成されて
いる。

【００３５】照明光学系１１０Ａでは、光源ランプ１１
１と、光源ランプ１１１からの光を取り込むコレクター
レンズ１１２と、視野絞り１１３と、開口絞り１１４
と、コンデンサーレンズ１１５とがこの順序で配置され
ている。光源ランプ１１１からの光はコレクターレンズ
１１２および視野絞り１１３を介して開口絞り１１４の
配設位置に集光される。この開口絞り１１４を通過した
光がコンデンサーレンズ１１５を介して原稿シリンダ１
０１上の原稿１０２Ａに照射される。こうして、原稿１
０２Ａが照明される。

【００３６】原稿１０２Ａからの光がピックアップレン
ズ１２０によってサンプリングアパーチャ板１３０に集
光されて原稿１０２Ａの像が形成される。このサンプリ
ングアパーチャ板１３０には、アパーチャ（第２アパー
チャ）１３１が形成されており、このアパーチャ１３１
によって原稿１０２Ａの微小領域４からの光のみが受光
ユニット１６０側に導かれる。

【００３７】サンプリングアパーチャ板１３０により切
り出された微小領域４からの光がコリメートレンズ１４
０によりアパーチャ板１５０に集光され、ピックアップ
レンズ１２０の絞り（瞳）の像が形成される。また、こ
のアパーチャ板１５０には、上記のようにして形成され
る像よりも小さな径を有するアパーチャ１５１が設けら
れている。このため、原稿１０２Ａからの光の一部がピ
ックアップレンズ１２０の絞り（瞳）に入射し、その絞
りの縁から周辺回折波が発生するが、アパーチャ板１５
０によりブロックされ、受光ユニット１６０側への周辺
回折波の伝播が防止される。

【００３８】一方、アパーチャ板１５０のアパーチャ１
５１を通過した光、つまり周辺回折波を含んでいない光
は受光ユニット１６０に入射し、２つのダイクロイック
ミラー１６１、１６２と全反射ミラーと１６３により３
原色に色分解され、それぞれ受光素子である光電子増倍
管１６４〜１６６に導かれる。こうして、３原色に対す
る微小領域の濃度がそれぞれ計測される。

【００３９】以上のように、照明光学系１１０Ａと、ピ
ックアップレンズ１２０と、サンプリングアパーチャ板
１３０と、コリメートレンズ１４０と、アパーチャ板１
５０と、受光ユニット１６０とで構成された濃度計測光
学系を組み込んだ画像入力装置１００Ａによれば、周辺
回折波の影響を排除することができ、原稿１０２Ａの画
像を構成する微小領域の濃度を３原色に分けて正確に計
測することができ、その結果、原稿１０２Ａの画像を高
精度で読み取ることができる。

【００４０】図５は、この発明にかかる濃度計測光学系
が組み込まれた画像入力装置の他の例を示す図である。
この画像入力装置１００Ｂが先に説明した画像入力装置
１００Ａと異なる点は、画像入力装置１００Ａは透過原
稿１０２Ａを読み取るために透過照明しているのに対
し、画像入力装置１００Ｂは反射原稿１０２Ｂを読み取
るために反射照明している点であり、原稿からの光を光
電子増倍管（受光素子）で受けて原稿の微小領域の濃度
を計測する構成については同一である。すなわち、画像
入力装置１００Ｂに組み込まれた濃度計測光学系では、
光源ランプ１１６と、コレクターレンズ１１７とで照明
光学系１１０Ｂが構成され、光源ランプ１１６からの照
明光をコレクターレンズ１１７を介して原稿シリンダ１
０１に貼着された反射原稿１０２Ｂの表面に照射してい
る点を除いて、この濃度計測光学系は画像入力装置１０
０Ａに組み込まれたそれと同一である。したがって、照
明光学系１１０Ｂ以外の構成については、同一符号を付
して構成の説明を省略する。

【００４１】このように反射原稿１０２Ｂを読み取る画
像入力装置においても、透過原稿１０２Ａを読み取る画
像入力装置の場合と同様に、照明光学系１１０Ｂと、ピ
ックアップレンズ１２０と、サンプリングアパーチャ板
１３０と、コリメートレンズ１４０と、アパーチャ板１
５０と、受光ユニット１６０とで構成された濃度計測光
学系を組み込むことで、同様の効果、つまり周辺回折波
の影響を排除して原稿１０２Ｂの画像を構成する微小領
域の濃度を３原色に分けて正確に計測することができ、
その結果、原稿１０２Ａの画像を高精度で読み取ること
ができるという効果が得られる。

【００４２】図６は、この発明にかかる濃度計測光学系
が組み込まれた測光顕微鏡の一例を示す図である。この
測光顕微鏡２００では、ステージ２０１上に試料（計測
対象物）２０２を載置し、作業者が観察光学系２７０を
介して計測位置を確認しながらステージ２０１を移動さ
せて試料２０２の微小領域を適当に位置決めした後、後
述するように構成された濃度計測光学系によって微小領
域の濃度が計測される。

【００４３】濃度計測光学系は、照明光学系２１０と、
対物レンズ２２０と、サンプリングアパーチャ板２３０
と、コリメートレンズ２４０と、アパーチャ板２５０
と、受光素子２６０とで構成されている。

【００４４】照明光学系２１０は、図４の画像入力装置
１００Ａの照明光学系１１０Ａとほぼ同一構成を有して
いる。すなわち、光源ランプ２１１からの光がコレクタ
ーレンズ２１２および視野絞り２１３を介して開口絞り
２１４の配設位置に集光される。また、開口絞り２１４
を通過した光がコンデンサーレンズ２１５を介してステ
ージ２０１上の試料２０２に照射されて透過照明されて
いる。特に、この濃度計測光学系では、測光しようとし
ている微小領域とほぼ一致する微小照明領域にのみを照
明している。

【００４５】また、対物レンズ２２０と、サンプリング
アパーチャ板２３０と、コリメートレンズ２４０と、ア
パーチャ板２５０とは、図４の画像入力装置１００Ａの
濃度計測光学系における対応要素（ピックアップレンズ
１２０、サンプリングアパーチャ板１３０、コリメート
レンズ１４０、アパーチャ板１５０）と同様に配置され
ている。したがって、サンプリングアパーチャ板２３０
を設けたことで、試料２０２の微小領域からの光のみが
サンプリングアパーチャ板２３０のアパーチャ２３１を
通過して受光素子２６０側に導かれる。そして、このよ
うにしてサンプリングアパーチャ板２３０により切り出
された微小領域からの光がコリメートレンズ２４０によ
りアパーチャ板２５０に集光され、対物レンズ２２０の
絞り（瞳）の像が形成されるが、このアパーチャ板２５
０には当該像よりも小さな径を有するアパーチャ２５１
が設けられており、上記と同様に、対物レンズ２２０の
絞り（瞳）の縁から発生する周辺回折波ＢＤＷはアパー
チャ板２５０によりブロックされる。こうして、受光素
子２６０側への周辺回折波ＢＤＷの伝播が防止される。

【００４６】一方、アパーチャ板２５０のアパーチャ２
５１を通過した光、つまり周辺回折波ＢＤＷを含んでい
ない光は受光素子２６０の受光面２６１に入射し、微小
領域の濃度に対応する電気信号が受光素子２６０から出
力される。

【００４７】なお、同図において、符号２７１、２７２
はそれぞれ観察光学系２７０を構成する可動ミラーおよ
び接眼レンズであり、また符号２０３は作業者の眼球を
示している。

【００４８】以上のように、照明光学系２１０と、対物
レンズ２２０と、サンプリングアパーチャ板２３０と、
コリメートレンズ２４０と、アパーチャ板２５０と、受
光素子２６０とで構成された濃度計測光学系を組み込ん
だ測光顕微鏡２００によれば、周辺回折波ＢＤＷの影響
を受けることなく、試料２０２の微小領域の濃度を計測
することができ、測光精度を向上させることができる。

【００４９】図７は、この発明にかかる濃度計測光学系
が組み込まれた金属顕微鏡の一例を示す図である。この
金属顕微鏡３００は、ステージ３０１上に載置された試
料（計測対象物）３０２の像をディスプレイ３８３上に
表示するものであり、後述するように構成された濃度計
測光学系を有している。

【００５０】濃度計測光学系は、照明光学系３１０と、
２枚の対物レンズ３２１，３２２と、サンプリングアパ
ーチャ板３３０と、コリメートレンズ３４０と、アパー
チャ板３５０と、受光素子である光電子増倍管３６０と
で構成されている。

【００５１】照明光学系３１０は、光源ランプ３１１
と、コレクターレンズ３１２と、開口絞り３１３と、視
野絞り３１４と、コンデンサーレンズ３１５と、ビーム
スプリッタ３１６とで構成されている。この照明光学系
３１０では、光源ランプ３１１から出射した光がコレク
ターレンズ３１２、開口絞り３１３、視野絞り３１４お
よびコンデンサーレンズ３１５を介して対物レンズ３２
１，３２２の間に配置されたビームスプリッタ３１６に
入射する。この入射光はビームスプリッタ３１６におい
て反射し、対物レンズ３２１を介して試料３０２に進
む。このように、この金属顕微鏡３００では、いわゆる
落射照明となっている。

【００５２】試料３０２で反射した反射光は対物レンズ
３２１、ビームスプリッタ３１６、対物（チューブ）レ
ンズ３２２およびプリズム３７１を介してサンプリング
アパーチャ板３３０に集光され、試料３０２の像を形成
する。なお、対物レンズ３２２とサンプリングアパーチ
ャ板３３０との間にプリズム３７１を設けているが、こ
のプリズム３７１で反射光の一部を取り出し、スケール
３７２および接眼レンズ３７３を介してアイポイントＥ
Ｐに導いて、作業者が試料３０２を観察できるように構
成している。

【００５３】サンプリングアパーチャ板３３０にはアパ
ーチャ３３１が設けられており、このアパーチャ３３１
を介して切り出された微小領域からの光のみが光電子増
倍管３６０側に導かれる。アパーチャ３３１を通過した
光はコリメートレンズ３４０によりアパーチャ板３５０
に導かれ、このアパーチャ板３５０上に対物レンズ３２
１の絞り（瞳）の像が形成されるが、上記と同様に、ア
パーチャ板３５０に設けられたアパーチャ３５１の径が
当該像よりも小さくなるように設定されているので、対
物レンズ３２１の絞りの縁から発生する周辺回折波はア
パーチャ板３５０によりブロックされ、光電子増倍管３
６０側への周辺回折波の伝播が防止される。

【００５４】一方、アパーチャ板３５０のアパーチャ３
５１を通過した光、つまり周辺回折波を含んでいない光
は光電子増倍管３６０に入射し、微小領域の濃度に対応
する電気信号がアンプ３８１で増幅された後、顕微鏡全
体を制御する制御部３８２に与えられ、当該微小領域の
濃度データとしてメモリ（図示省略）に記憶される。ま
た、この制御部３８２は、ステージ３０１を駆動するド
ライバ（図示省略）にコントロール信号を与えてステー
ジ３０１を順次移動させながら、上記のようにして試料
３０２の各部（微小領域）の濃度をそれぞれ計測する。
こうして得られた濃度データに基づきディスプレイ３８
３上に試料３０２の像を表示する。

【００５５】以上のように、照明光学系３１０と、対物
レンズ３２１，３２２と、サンプリングアパーチャ板３
３０と、コリメートレンズ３４０と、アパーチャ板３５
０と、光電子増倍管３６０とで構成された濃度計測光学
系を組み込んだ金属顕微鏡３００によれば、周辺回折波
の影響を受けることなく、試料３０２の各部（微小領
域）の濃度を正確に計測することができ、試料３０２の
像を優れた品質でディスプレイ３８３上に表示すること
ができる。

【００５６】なお、上記では、本発明にかかる濃度計測
光学系を、試料３０２を落射照明する落射照明の金属顕
微鏡に組み込んでいるが、暗視野照明の金属顕微鏡にも
組み込むことができる。

【００５７】図８は、この発明にかかる濃度計測光学系
が組み込まれた膜厚測定装置の一例を示す図である。こ
の膜厚測定装置４００Ａは、ステージ４０１上に載置さ
れた試料（計測対象物）４０２に照明光を照射するとと
もに、試料４０２において反射した光を分光し、分光反
射率を実測した後、その実測分光反射率に基づき試料３
０２が有する透明薄膜の膜厚を求める装置であり、試料
４０２の照明および分光反射率の実測のために後述する
濃度計測光学系を組み込まれている。

【００５８】濃度計測光学系は、照明光学系４１０と、
２枚の対物レンズ４２１，４２２と、サンプリングアパ
ーチャ板４３０と、投影手段として機能するリレーレン
ズ４４０Ａと、アパーチャ板４５０と、試料４０２の微
小領域からの反射光を分光し、各波長ごとの光を受光し
て濃度（光強度）を検出する分光受光ユニット４６０と
で構成されている。

【００５９】この照明光学系４１０には、白色光を出射
するハロゲンランプ４１１が設けられており、このハロ
ゲンランプ４１１からの光は２枚の単レンズ４１２ａ，
４１２ｂからなるコンデンサーレンズ４１２、視野絞り
４１３およびコンデンサーレンズ４１４を介して対物レ
ンズ４２１，４２２の間に配置されたビームスプリッタ
４１５に入射する。この入射光は、金属顕微鏡３００の
場合と同様に、ビームスプリッタ４１５で反射し、対物
レンズ４２１を介して試料４０２に進む。この膜厚測定
装置４００Ａにおいても、いわゆる落射照明となってい
る。

【００６０】試料４０２で反射した反射光は対物レンズ
４２１、ビームスプリッタ４１６、対物レンズ４２２お
よびプリズム４７１を介してサンプリングアパーチャ板
４３０に集光され、試料４０２の像を形成する。なお、
この膜厚測定装置４００Ａにおいても、金属顕微鏡３０
０の場合と同様に、プリズム３７１、スケール３７２お
よび接眼レンズ３７３により反射光の一部を取り出して
作業者が試料４０２を観察できるように構成している。

【００６１】サンプリングアパーチャ板４３０にはアパ
ーチャ４３１が設けられており、このアパーチャ４３１
を介して切り出された微小領域からの光のみが分光受光
ユニット４６０側に導かれる。アパーチャ４３１を通過
した光はコリメートレンズ（リレーレンズ）４４０によ
りアパーチャ板４５０に導かれ、対物レンズ４２１の絞
り（瞳）の像が形成されるが、上記と同様に、アパーチ
ャ板４５０に設けられたアパーチャ４５１の径が当該像
よりも小さくなるように設定されているので、対物レン
ズ４２１の絞りの縁から発生する周辺回折波はアパーチ
ャ板４５０によりブロックされ、分光受光ユニット４６
０側への周辺回折波の伝播が防止される。

【００６２】一方、アパーチャ板４５０のアパーチャ４
５１を通過した光、つまり周辺回折波を含んでいない光
は分光受光ユニット４６０の入り口近傍で集光する。こ
の集光位置の近傍には、中心部にピンホール４９１を有
するプレート４９２が配置されている。また、そのプレ
ート４９２の近傍にシャッター４９３が配置されてお
り、装置全体を制御する制御部４８１からの信号に基づ
きシャッター４９３を駆動して、反射光のうちピンホー
ル４９１を通過した光が分光受光ユニット４６０に入射
されるかどうかを制御するようになっている。

【００６３】分光受光ユニット４６０は、反射光を分光
する凹面回折格子４６１と、凹面回折格子４６１により
回折された回折光を受光して各波長ごとの濃度を計測し
て分光スペクトルを検出する固体撮像素子４６２とで構
成されている。固体撮像素子４６２はピンホール４９１
と共役な関係に配置されている。このため、分光受光ユ
ニット４６０に取り込まれた光は凹面回折格子４６１に
分光され、その光の分光スペクトルに対応した信号が固
体撮像素子４６２から制御部４８１に与えられる。この
制御部４８１は、その信号に基づき試料４０２の微小領
域に形成された薄膜（図示省略）の膜厚を求め、その結
果をＣＲＴ４８２およびプリンター４８３に出力する。

【００６４】以上のように、照明光学系４１０と、対物
レンズ４２１，４２２と、サンプリングアパーチャ板４
３０と、リレーレンズ４４０Ａと、アパーチャ板４５０
と、分光受光ユニット４６０とで構成された濃度計測光
学系を組み込んだ膜厚測定装置４００Ａによれば、周辺
回折波の影響を受けることなく、試料４０２の微小領域
に形成された薄膜の厚みを正確に測定することができ
る。

【００６５】なお、上記においては、投影手段としてリ
レーレンズ４４０Ａを用いているが、リレーレンズ４４
０Ａの代わりに、図９に示すように、楕円鏡４４０Ｂを
用いてもよもい。この場合、反射光学素子（楕円鏡４４
０Ｂ）を用いたことで色収差を抑えることができ、図８
の膜厚測定装置よりも高い精度で膜厚測定を行うことが
できる。

【００６６】

【発明の効果】この発明によれば、サンプリング手段に
より微小領域からの光のみを受光素子側に取り出すよう
にしている。また、第１アパーチャを有するアパーチャ
板を、受光素子の受光面と対向するように、受光面に対
し対物レンズ側に配置し、投影手段により対物レンズの
瞳の像を第１アパーチャ板に投影するようにしている。
しかも、第１アパーチャの径が第１アパーチャ板上に投
影される投影像よりも小さくなるようにしている。この
ため、対物レンズの瞳の縁から発生した周辺回折波を第
１アパーチャ板でブロックすることができ、受光素子へ
の周辺回折波の伝播を防止し、計測対象物の微小領域の
濃度を正確に計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる濃度計測光学系の一の実施形
態を示す図である。

【図２】アパーチャ板上に形成される対物レンズの絞り
の像と、アパーチャ径との関係を示す図である。

【図３】この発明にかかる濃度計測光学系の他の実施形
態を示す図である。

【図４】この発明にかかる濃度計測光学系が組み込まれ
た画像入力装置の一例を示す図である。

【図５】この発明にかかる濃度計測光学系が組み込まれ
た画像入力装置の他の例を示す図である。

【図６】この発明にかかる濃度計測光学系が組み込まれ
た測光顕微鏡の一例を示す図である。

【図７】この発明にかかる濃度計測光学系が組み込まれ
た金属顕微鏡の一例を示す図である。

【図８】この発明にかかる濃度計測光学系が組み込まれ
た膜厚測定装置の一例を示す図である。

【図９】この発明にかかる濃度計測光学系が組み込まれ
た膜厚測定装置の他の例を示す図である。

【図１０】従来の濃度計測光学系により微小黒点の濃度
を計測した場合に得られる像面照度分布を示す図であ
る。

【符号の説明】

１，１０２ 原稿（計測対象物） ３ 計測対象物 ４ 微小領域 １０，１１０Ａ，１１０Ｂ，２１０，３１０，４１０
照明光学系 ２０，２２０，３２１，３２２，４２１，４２２ 対物
レンズ ３０，１３０，２３０，３３０，４３０ サンプリング
アパーチャ板（第２アパーチャ板） ３１，１３１，２３１，３３１，４３１ アパーチャ
（第２アパーチャ） ４０，１４０，２４０，３４０ コリメートレンズ ５０，１５０，２５０，３５０，４５０ アパーチャ板
（第１アパーチャ板） ５１，１５１，２５１，３５１，４５１ アパーチャ
（第１アパーチャ） ６０，２６０ 受光素子 ６１，２６１ 受光面 １０２Ａ 透過原稿（計測対象物） １０２Ｂ 反射原稿（計測対象物） １２０ ピックアップレンズ（対物レンズ） １６０ 受光ユニット １６４〜１６６，３６０ 光電子増倍管（受光素子） ２００ 測光顕微鏡 ２０２，３０２，４０２ 試料（計測対象物） ３００ 金属顕微鏡 ４００Ａ，４００Ｂ 膜厚測定装置 ４４０Ａ リレーレンズ（投影レンズ） ４４０Ｂ 楕円鏡（投影レンズ） ４６０ 分光受光ユニット ４６２ 固体撮像素子（受光素子） ＢＤＷ 周辺回折波 Ｄ （アパーチャ板のアパーチャの）径 Ｌ 照明光

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/61 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 照明光学系からの照明光を計測対象物に
   照射するとともに、前記計測対象物からの光を対物レン
   ズを介して受光素子の受光面に導き、前記計測対象物の
   微小領域の濃度を計測する濃度計測光学系において、 第１アパーチャを有し、前記第１アパーチャが前記受光
   面と対向するように、前記受光面に対し前記対物レンズ
   側に配置された第１アパーチャ板と、 前記微小領域からの光のみを前記受光素子側に取り出す
   サンプリング手段と、 前記対物レンズの瞳の像を前記第１アパーチャ板に投影
   する投影手段と、を備え、 前記第１アパーチャの径が前記第１アパーチャ板上に投
   影される投影像よりも小さいことを特徴とする濃度計測
   光学系。
2. 【請求項２】 前記サンプリング手段が、第２アパーチ
   ャを有し、前記対物レンズにより前記計測対象物の像が
   形成される位置に配置された第２アパーチャ板を備える
   請求項１記載の濃度計測光学系。
3. 【請求項３】 前記照明光学系による前記計測対象物の
   照明範囲が前記微小領域とほぼ同一な微小照明範囲に制
   限された請求項２記載の濃度計測光学系。
4. 【請求項４】 前記照明光学系が前記微小領域のみを照
   明し、前記サンプリング手段としても機能する請求項１
   記載の濃度計測光学系。
5. 【請求項５】 第２アパーチャを有する第２アパーチャ
   板を前記対物レンズにより前記計測対象物の像が形成さ
   れる位置に配置し、前記サンプリング手段として機能さ
   せる請求項４記載の濃度計測光学系。