JP3695803B2

JP3695803B2 - 光学フィルタ及びそれを利用した顕微鏡装置

Info

Publication number: JP3695803B2
Application number: JP26028095A
Authority: JP
Inventors: 雅弘青木; 毅山岸; 浩池田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2015-10-06
Also published as: JPH09101110A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体部品，磁気ヘッド等の電子部品の検査のために用いられる顕微鏡装置、及びそれに使用される光学フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子部品は、ますます高集積化されるに従い、精密化と大型化が同時に進行するという状況が生じている。これに伴って、電子部品の検査に要求される事項も測定精度の高度化を含めて多岐に及んでいる。例えば、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は電子部品の例として半導体部品に用いられるリードフレームを被検体としたときの測定を示すものであるが、このリードフレームのように、電子部品は同一の構造を連続して有しているものが多い。測定は、図４（ｂ）に示すように、細かい構造部分の幅ｗ，高さｈ，或いは、測定した位置情報に基づいて各リードの傾きθの算出が行われる。又、図４（ｃ）に示すような比較的大きい構造部分に対しては、平坦度ｆの測定が行われることもある。
【０００３】
このように、同一構造が連続する電子部品を測定対象とする場合には、測定箇所を確認するために、被検体の外形が把握できるような広い領域の観察、即ち、低倍観察が必要になる。しかしながら、実際に測定を行う際には、高精度測定のための高倍の測定系が要求される。
【０００４】
このような要求に対して本願と同一出願人により、図５に示すような測定顕微鏡装置が特願平６−１９６７１９号によって提案されている。
図示されたように、この測定顕微鏡では、照明光源５０から出射される照明光を、照明用レンズ５１，ハーフミラー５２，ダイクロイックミラー４２，及び対物レンズ３１を介することにより被検体３０を照明する、ケーラー照明を実現している。そして、被検体３０からの反射光は、対物レンズ３１により平行光とされた後、可視光を透過し赤外光のみを反射するダイクロイックミラー４２及びハーフミラー５２を透過し、ハーフミラー３２により二つの光路に分割される。
ハーフミラー３２により分割された一方の光は、焦点距離ｆａを有する結像レンズ３３ａにより集光され、被検体像を形成する。被検体像の位置には、撮像素子３４ａが配置されており、被検体像はモニタ３５ａに表示される。
他方の光は、ミラー３８により反射され、焦点距離ｆｂを有する結像レンズ３３ｂにより集光される。集光された光の一部はハーフミラー３９を透過し、撮像素子３４ｂ上に被検体像を形成し、この被検体像はモニタ３５ｂに表示されるようになっている。
【０００５】
又、ダイクロイックミラー４２の反射側には、焦点距離ｆｃを有する結像レンズ３３ｃを経て、焦点検出器３７が配置されている。ここで、結像レンズ３３ｃを経て入射した光は偏向ビームスプリッタ１６を透過し、更にビームスプリッタ１８により分割され、一方の光はピンホール１９を介して光検出器２０に達し、他方の光はピンホール２１を介して光検出器２２に達する。そして、光検出器２０，２２夫々から入射光量に応じた電気信号が信号処理系２３へ送出され、この信号処理系２３からは合焦検出信号が出力されるようになっている。この合焦検出信号は、対物レンズ３１の合焦動作と共に、被検体３０の高さ，平坦度，傾きの測定のために用いられ、その精度を決定付ける重要な要素となる。又、ハーフミラー３９の反射側にはエッジ検出器３６が配置されている。ここで、ハーフミラー３９に反射されて入射した被検体３０の反射光はピンホール１１を経て光検出器１２において光電変換される。光検出器１２からの出力は比較器１３において基準電圧１４からの所定のしきい値と比較され、エッジ信号が発せられるようになっている。ここで生成されるエッジ信号も、前記合焦信号と同様、被検体３０の幅測定を行う上で重要な要素となる。
【０００６】
又、対物レンズ３１にはこれ自身を光軸方向に沿って移動させる移動機構４０が設けられており、図示しないモータ等の駆動機構により移動機構４０を駆動することにより、対物レンズ３１の光軸方向への移動が可能になっている。
【０００７】
更に、撮像素子３４ａ，３４ｂ上に形成される像の倍率Ｍａ，Ｍｂは、対物レンズ３１の焦点距離をｆｏｂとすると、夫々次式により示される。
Ｍａ＝ｆａ／ｆｏｂ・・・・（１）
Ｍｂ＝ｆｂ／ｆｏｂ・・・・（２）
又、撮像素子３４ａ，３４ｂの対角長をＬとすると、モニタ３５ａ，３５ｂには、夫々以下に示す対角長を有する被検体３０の領域が表示される。
Ｌ／Ｍａ＝Ｌ×ｆｏｂ／ｆａ・・・・（３）
Ｌ／Ｍｂ＝Ｌ×ｆｏｂ／ｆｂ・・・・（４）
従って、結像レンズ３３ａ，３３ｂの焦点距離ｆａ，ｆｂを夫々最適に設定することにより、広視野即ち低倍観察と狭視野即ち高倍観察とを同時に行うことが可能になる。これに伴い、電子部品のような同一構造が連続する被検体に対しても、低倍観察による測定位置の確認と高倍観察による高い精度での測定若しくは測定箇所の指示が簡単に、且つ、機械的移動を伴わずに実現できる。
【０００８】
又、エッジ検出器３６，焦点検出器３７においては、観察倍率の切り換えに伴う経路のレンズ切り換えは不要であり、センサ系の倍率は一定であるため、被検体の構造や大きさにかかわらず、常に一定の測定精度で測定を行うことが可能になる。
又、観察倍率の切り換えに伴う機械的移動部も存在しないことから、機械的位置再現性による測定精度の劣化が生じることもない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した従来例においては、赤外光を用いる焦点検出器３７と可視光による観察系及びエッジ検出器３６とに通ずる光路が、夫々ダイクロイックミラー４２によって完全に分離されている。従って、赤外半導体レーザ１５から出射される赤外光は、むだなく利用されている。しかし、実際には、対物レンズ３１，結像レンズ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ及び照明用レンズ５１の光学的な設計上の制約、若しくは、限定されたスペース内での他の光学部品の配置上の制約等の様々な要因により、図５に示したような配置の装置が不可能な場合があり、無理にこのような配置にした場合、装置が大型化しかねない。
【００１０】
そこで、図５に示した従来例の装置の小型化を図るための構成を図６（ａ），（ｂ）に示す。尚、同図において図５に示した光学系を構成する部材と同一のものには同一の符号を付してあり、焦点検出用の赤外光の光路は、太線の矢印により示されている。
図５に示した焦点検出器３７，観察系及びエッジ検出器３６へ被検体の反射光を導くための光路を図６（ａ）に示すように構成した場合、ミラー１０１にはダイクロイックミラーを使用すれば、赤外光のロスをなくすことができる。しかしながら、ミラー１０２，１０３には可視光を透過させることができるハーフミラーを使用しなければならない。従って、ミラー１０２，１０３において夫々赤外光も可視光と同様に透過させてしまうため、図中の太線で示した光路を辿る赤外光の利用可能な強度は往復で光源光の１／１６となる。
又、同図（ｂ）に示すように構成した場合には、ミラー１０４にダイクロイックミラーを使用し、ミラー１０５，１０６にハーフミラーを使用すると、やはり図中の太線で示した光路を辿る赤外光の利用可能な強度は往復で光源光の１／１６となってしまう。
【００１１】
又、図７に示すようなダイクロイックミラーとハーフミラーを張り合わせて構成した光学部材を、図６（ａ），（ｂ）に示した光学系中のミラー１０２，１０３，１０５及び１０６に代えて配置することも考えられる。しかしこの場合、図８はダイクロイックミラーの光の分光反射特性を示すグラフであるが、このグラフに示すように、ダイクロイックミラーでは可視領域（４００〜７００ｎｍの波長領域）の光の透過率が１００％とはならず、２０％程度の反射率を有する波長領域も存在している。従って、図７に示すように、可視光の反射側の光軸が、ダイクロイックミラー及びハーフミラーを形成しているガラス材の厚みによって、ダイクロイックミラーの反射側光軸とハーフミラーの反射側光軸とがずれた状態で光学系の光路中に混在することになり、測定に悪影響を及ぼし精密な測定が不可能となってしまう。
【００１２】
そこで、上記のような従来技術の有する問題点に鑑み、本発明は、可視光に対しては所定の割合で透過と反射に分割させるハーフミラーとして機能しつつ、赤外光を約９０％以上の割合で反射させ得る光学フィルタを提供することを第１の目的とする。又、本発明は、可視光と赤外光とを同一光路内に混在させ、この光路内に前記可視光と赤外光とを分割する光路分割手段を備えた顕微鏡装置において、かかる光路分割手段により可視光と分割される赤外光のロスを生じさせず高精度の測定を行うことのできるコンパクトな顕微鏡装置を提供することを第２の目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光学フィルタ及びそれを利用した顕微鏡装置は以下のような特徴を有している。
【００１４】請求項１に記載の光学フィルタは、ガラス基板上に低屈折層と高屈折層とを所定の光学的膜厚で相互に繰り返し積層し、可視領域の光を所定の割合で透過と反射に分割し、且つ赤外領域の所定の波長を有する光を約９０％以上反射させ得るようにしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の顕微鏡装置は、可視光と赤外光とを同一光路内に混在させ、その光路内に前記可視光と赤外光とを分割する光路分割手段を備えた顕微鏡装置において、前記光路分割手段として請求項１に記載の光学フィルタが備えられていることを特徴とする。
【００１７】
又、請求項２に記載の顕微鏡装置に備えられている光路分割手段は、ＢＫ７等により形成されたガラス基板上にＳiＯ₂等により形成された低屈折層とＴｉＯ₂若しくはＴａ₂Ｏ₅等により形成された高屈折層とを所定の光学的膜厚で相互に繰り返し積層し、可視領域の光に対する透過率と反射率との比がほぼ１：１であり、赤外領域の所定の波長を有する光をほぼ全反射させ得るようにした光学フィルタにより構成されてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づき本発明を詳細に説明する。
図１（ａ），（ｂ）は、本発明による顕微鏡装置の光路分割手段を構成するフィルタの構造を示す図である。同図（ａ）に示すフィルタ（以下、フィルタＡと称す）は、ＢＫ７からなるガラス基板上に低屈折率を有するＳｉＯ₂と高屈折率を有するＴｉＯ₂とが夫々所定の膜厚で相互に繰り返し積層され、２４層構造となっている。一方、同図（ｂ）に示すフィルタ（以下、フィルタＢと称す）は、ＢＫ７からなるガラス基板上に低屈折率を有するＳｉＯ₂と高屈折率を有するＴｉＯ₂とが夫々所定の膜厚で繰り返し積層され、１４層構造となっている。
【００１９】
図２（ａ）はフィルタＡの光の分光反射特性を示すグラフである。このグラフに示すように、フィルタＡは、波長が４００〜７００ｎｍである可視領域の光に対して多少のリンギングを生ずるものの、この可視光の透過と反射の割合比をほぼ１：１とし、又、波長が７８０ｎｍである赤外光（例えば半導体レーザ）に対する透過率を１％以下に抑制する作用を有している。
図２（ｂ）はフィルタＢの光の分光反射特性を示すグラフである。このグラフから、フィルタＢは波長が７８０ｎｍ付近である赤外光をほぼ１００％透過させることができることが分かる。
【００２０】
本発明の顕微鏡装置は、このようなフィルタＡ，Ｂを光路中に配置して構成されている。以下、図３（ａ），（ｂ）により本発明の測定顕微鏡装置の構成を説明する。尚、同図において、図６に示した光学系を構成する部材と同一のものには同一の符号を付しており、焦点検出用の赤外光の光路は、太線の矢印により示されている。
【００２１】
図３（ａ）は、本発明の顕微鏡装置を前述の図６（ａ）に示した光学系と対応させて構成した場合を示している。この装置では、ハーフミラー１０２に代えて７８０ｎｍの波長の赤外光をほぼ全反射する特性を備えたフィルタＡを、ハーフミラー１０３に代えて７８０ｎｍの波長の赤外光をほぼ総て透過する特性を備えたフィルタＢを、夫々用いている。
【００２２】
従って、この装置では、照明光源５０から出射される照明光が、照明用レンズ５１を介しフィルタＢ（照明光に対してはハーフミラーとして機能する）で反射され、更に対物レンズ３１を介することにより図示しない被検体を照明する。一方、図示しない赤外光源からの測定光は、レンズ３３ｃを通って、ダイクロイックミラー１０１，フィルタＡでほぼ１００％反射され、フィルタＢをほぼ１００％透過し、対物レンズ３１を介して前記被検体に集光される。そして、この被検体からの反射光は、対物レンズ３１により平行光とされた後、フィルタＢを可視光は約半分，赤外光はほぼ１００％透過しフィルタＡにより可視光のみの光と可視光と赤外光とが混在した光との二つに分割される。フィルタＡにより分割された可視光のみの光は、結像レンズ３３ａにより集光され、被検体像を形成する。この被検体像の位置には、図示しない撮像素子が配置されており、被検体像は図示しないモニタに表示される。
【００２３】
フィルタＡにより分割された可視光と赤外光とが混在した光は、ダイクロイックミラー１０１により更に可視光と赤外光との二つに分割される。ここで分割された可視光は結像レンズ３３ｂにより集光される。この集光された光の一部は前記と同様に被検体像を形成するために用いられ、その他の光はエッジ検出のために用いられるようになっている。又、ダイクロイックミラー１０１により可視光と分割された赤外光は、結像レンズ３３ｃを経て、図示しない焦点検出器へ導かれ、被検体の合焦検出のために用いられるようになっている。
【００２４】
又、図３（ｂ）は本発明の測定顕微鏡装置を前述の図６（ｂ）に示した光学系と対応させて構成した場合を示している。この装置では、ハーフミラー１０５及び１０６に代えて、フィルタＡを用いている。
【００２５】
従って、この装置では、照明光源５０から出射される照明光は、照明用レンズ５１，可視光に対してはハーフミラーとして機能するフィルタＡ₁，Ａ₂及び対物レンズ３１を介して図示しない被検体を照明する。一方、図示しない赤外光源からの測定光はレンズ３３ｃを通って、ダイクロイックミラー１０４，フィルタＡ₁，フィルタＡ₂でほぼ１００％反射され、対物レンズ３１を介して前記被検体に集光される。そして、この被検体からの反射光は、対物レンズ３１により平行光とされた後、フィルタＡ₂により可視光のみの光と可視光と赤外光とが混在した光との二つの光路に分割される。この可視光のみの光は、結像レンズ３３ａにより集光され、被検体像を形成する。この被検体像の位置には、図示しない撮像素子が配置されており、被検体像は図示しないモニタに表示される。
【００２６】
フィルタＡ₂により分割された可視光と赤外光とが混在した光は、フィルタＡ₁により可視光は約半分，赤外光はほぼ１００％反射されて、ダイクロイックミラー１０４により更に可視光と赤外光との二つに分割される。ここで分割された可視光は結像レンズ３３ｂにより集光される。この集光された光の一部は前記と同様に被検体像を形成するために用いられ、その他の光はエッジ検出のために用いられるようになっている。一方、ダイクロイックミラー１０４により分割された赤外光は、結像レンズ３３ｃを経て、図示しない焦点検出器へ導かれ、被検体の合焦検出のために用いられるようになっている。
尚、図３（ｂ）に示したフィルタＡ₁，Ａ₂は図３（ａ）に示したフィルタＡと同一のものである。
【００２７】
本発明の装置は上記のように構成することにより、小型化が実現され、合焦検出のために必要とされる赤外光のロスを生じさせることもなく、光源から出射される赤外光の有効利用が可能になる。
尚、焦点検出系の光学調整のために、可視光を導入することが必要とされる場合には、上記ダイクロイックミラー１０１，１０４に代えて可視光の透過率を若干抑えた（可視光の透過率が２０％程度）フィルタＡに類似した性質を有する光学部材を用いることで、対処できる。
又、フィルタＡ，Ｂを構成している材質のＴｉＯ₂に代えてＴａ₂Ｏ₅を用いても同様の効果を得ることができる。
【００２８】
又、この実施例で説明した光学フィルタは、可視領域の光に対する透過率と反射率との比がほぼ１：１であったが、この割合を約１：４〜４：１、即ち透過光の割合が約２０〜８０％程度となる範囲に設定してもよい。この透過割合は、顕微鏡の個々の構成や目的に応じて適宜選択される。又、実施例の光学フィルタは、赤外領域の光に対してほぼ１００％透過若しくは反射させるものであったが、透過率若しくは反射率が概ね９０％以上であれば、本発明の目的は十分に達成される。例えば、図３（ａ）に示した構成において、フィルタＡ，Ｂの赤外光に対する反射率，透過率を夫々９０％とした場合、赤外光の利用可能な強度は０．９⁴＝０．６６であり、従来技術におけるそれ（１／１６＝０．０６３）との違いは明らかである。
尚、このように可視領域若しくは赤外領域の光の透過率を違えた特性の光学フィルタは、図１に示した膜構成の膜厚や積層回数、更に積層材料を変化させることにより製作できる。
【００２９】
又、本発明の光学フィルタは、実施例で説明した顕微鏡装置に限定されず、赤外光を可視光に混在させて使用する装置に適用することが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
上述のように、本発明による光学フィルタは、可視光に対しては約２０〜８０％の割合で透過させるハーフミラーとして機能しつつ、赤外光を約９０％以上の割合で反射若しくは透過させることができる。又、この光学フィルタを光路分割手段として用いた本発明の顕微鏡装置は、かかる光路分割手段により可視光と分割される赤外光のロスを生じさせることがなく、装置の小型化を実現することもできるため、焦点検出等の付帯機能の設計に余裕を与えることが可能になり、装置の機能，性能の向上を図ることができるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は夫々本発明による顕微鏡装置の光路分割手段として用いられるフィルタの構造を示す図である。
【図２】（ａ）はフィルタＡの光の分光反射特性を示すグラフ、（ｂ）はフィルタＢの光の分光反射特性を示すグラフである。
【図３】（ａ），（ｂ）は夫々本発明による顕微鏡装置の実施例の構成を示す図である。
【図４】（ａ）は電子部品の測定対象を示す平面図、（ｂ）は（ａ）におけるａ部の拡大図、（ｃ）は（ａ）におけるｂ部の拡大図である。
【図５】従来の測定顕微鏡装置の構成を示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は夫々図５に示した従来装置の変形例の構成を示す図である。
【図７】従来例の問題点を説明するための図である。
【図８】ダイクロイックミラーの光の分光反射特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１１，１９，２１ピンホール
１２，２０，２２光検出器
１３比較器
１４基準電圧
１５赤外半導体レーザ
１６偏光ビームスプリッタ
１８ビームスプリッタ
２３信号処理系
３０被検体
３１対物レンズ
３２，３９，５２ハーフミラー
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ結像レンズ
３４ａ，３４ｂ撮像素子
３５ａ，３５ｂモニタ
３６エッジ検出器
３７焦点検出器
３８ミラー
４０移動機構
４２ダイクロイックミラー
５０光源
５１照明レンズ
１０１，１０４ダイクロイックミラー
１０２，１０３，１０５，１０６ハーフミラー
Ａ，Ａ₁，Ａ₂，Ｂフィルタ

Claims

ガラス基板上に低屈折層と高屈折層とを所定の光学的膜厚で相互に繰り返し積層し、可視領域の光を所定の割合で透過と反射に分割し、且つ赤外領域の所定の波長を有する光を約９０％以上反射させ得るようにしたことを特徴とする光学フィルタ。
可視光と赤外光とを同一光路内に混在させ、該光路内に前記可視光と赤外光とを分割する光路分割手段を備えた顕微鏡装置において、前記光路分割手段として請求項１に記載の光学フィルタを備えていることを特徴とする顕微鏡装置。