JP4524793B2 - 共焦点光学系及び高さ測定装置 - Google Patents

Description

この発明は共焦点光学系及び高さ測定装置に関する。

従来の高さ測定装置として、共焦点光学系を有し、対物レンズの後側光路長をコーナーキュービックプリズムを用いて変化させることにより対物レンズの焦点位置を測定対象物の光軸方向に変化させ、それぞれの焦点位置で測定対象物の画像を取得し、測定対象物の高さを算出するものがある。
特開２００２−１３９１７号公報

ところで、ステージに載置された測定対象物全体の高さを測定する場合、視野が狭いときには視野が広いときに比べて光軸方向に直交する２次元方向にステージを数多く移動させなければならず、測定時間が長くなるため、視野の広い対物レンズを用いるのが好ましい。

しかし、同じＮ．Ａ．（開口数）の対物レンズの場合、狭視野の対物レンズに較べて広視野の対物レンズは大きい。

広視野の対物レンズにすると、以後の光路幅が広くなり、直角ミラー、コーナキューブプリズム等も大きくなるため、共焦点光学系を有する高さ測定装置は大型化する。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は広視野の対物レンズを用いたときであっても小型化を図ることができる共焦点光学系及び高さ測定装置を提供することである。

上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、ピンホールが形成された複数のピンホール板と、光源からの光を平行光にする第１のレンズと、前記平行光を前記ピンホールに集光する複数の第２のレンズと、前記ピンホールを通過した光を測定対象物に集光させる対物レンズと、前記対物レンズの光軸方向のお互いに異なる位置に、それぞれ前記ピンホール板と第２のレンズとを備え、前記ピンホールの前記光軸方向の位置を切り換えるピンホール位置変更手段とを備えていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の共焦点光学系において、前記ピンホール位置変更手段は、前記複数のピンホール板と前記複数の第２のレンズとを環状に配置されており、前記複数のピンホール板と前記複数の第２のレンズとを前記配置の方向に沿って回転駆動させることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１又は２記載の共焦点光学系と、この共焦点光学系の焦点位置を測定対象物に対して光軸方向に相対移動させ、異なる焦点位置の画像を取得する画像取得手段と、前記画像取得手段によって取得された複数の画像に基いて前記測定対象物の高さを算出する算出手段とを備えていることを特徴とする。

この発明の共焦点光学系及び高さ測定装置によれば、広視野の対物レンズを用いたときであっても小型化を図ることができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１はこの発明の第１実施形態に係る高さ測定装置の光学系の構成を示すブロック図である。

高さ測定装置１は共焦点光学系１０と撮像素子（画像取得手段）３０と、演算制御部（算出手段）４０とを備えている。

共焦点光学系１０は光源１１とハーフプリズム１２とレンズ１３とピンホール板２１と広視野の対物レンズ１４とλ／４板１５とを有する。

光源１１はハーフプリズム１２によって光軸Ｌ１から分離された光軸Ｌ２上に配置されている。光源１１としてはハロゲンランプ、水銀ランプ等が用いられる。

レンズ１３はハーフプリズム１２とピンホール板２１との間に配置され、光源１１から出射され、ハーフプリズム１２で反射された照明光を平行光にする。

複数のピンホール板２１にはそれぞれ複数の同じ径のピンホール２２が形成されている。ピンホール２２の径は対物レンズ１４のエアリーディスク径に対応している。

また、ピンホール板２１にはピンホール２２に対向してピンホール２２に集光させるための集光レンズ２３がそれぞれ配置されている（図１では１つのピンホール２２と１つのレンズ２３だけが記載されている）。

集光レンズ２３とレンズ１３との間は平行光であるので、ピンホール２２を通過した光を撮像素子３０に常に結像させることができる。

複数のピンホール板２１はドーナツ状の回転ドラム（ピンホール位置変更手段）２０上に環状に配置されている。ピンホール板２１は測定範囲とサンプリング間隔とに対応したサンプリング数分だけ配置されている。

回転ドラム２０の回転軸ＡＸ上には回転ドラム２０を回転させるドラム回転用モータ２５が配置されている。各ピンホール板２１はサンプリング間隔に対応して光軸方向の位置をずらして配置されている。そのため、回転ドラム２０の回転にしたがって光軸Ｌ１上のピンホール２２の光軸方向の位置が変化する。

また、回転ドラム２０にはピンホール板２１を光軸方向へ移動させるピンホール板位置調整機構２７が設けられている。ピンホール板位置調整機構２７は例えば回転ドラム２０と螺合し、ピンホール板２１を挟む２つのナットによって構成することができる。このピンホール板位置調整機構２７によって測定対象物５に対するピンホール位置やサンプリング間隔を変更することができる。

λ／４板１５は対物レンズ１４の前側光路上（対物レンズ１４と測定対象物５との間）に設けられ、測定対象物５からの反射光を効率的に取得する。

撮像素子３０は回転ドラム２０の回転によって得られる異なる焦点位置の画像を取得する。

演算制御部４０は撮像素子３０によって取得された複数の画像に基いて測定対象物５の高さを算出する。

このような構成の高さ測定装置では、光源１１から出射された照明光はハーフプリズム１２で反射され、レンズ１３に入射して平行光にされ、集光レンズ２３に至る。

照明光は集光レンズ２３によってピンホール２２に集光し、ピンホール２２を通って対物レンズ１４に入射する。対物レンズ１４を通過した照明光はλ／４板１５を通過し、測定対象物５の表面に集光される。

測定対象物５がピンホール２２の位置に対応する合焦位置にあるとき、測定対象物５の表面からの反射光はλ／４板１５を通過し、対物レンズ１４によって再度ピンホール２２に集光し、ピンホール２２を通って集光レンズ２３に至る。

集光レンズ２３を出射し、平行光となった反射光はレンズ１３によって撮像素子３０の撮像面３１に結像し、撮像素子３０により共焦点画像として取得される。

測定対象物５がピンホール２２の位置に対応する合焦位置にないとき、測定対象物５の表面からの反射光はピンホール２２に集光しないため、ピンホール２２を通過する光量が減少し、撮像素子３０に達する反射光が減少する。

この反射光量の減少と測定対象物５の表面の合焦位置からのずれ量とは相関関係にあるため、撮像素子３０の撮像面３１の反射光の光量変化率から反射光の光量が最大となる合焦位置を算出することができる。

モータ２５を駆動して回転ドラム２０を回転させると、回転ドラム２０の回転にしたがって光軸Ｌ１上にあるピンホール２２の光軸方向の位置が変化し、ピンホール２２から対物レンズ１４までの光路長が変化するため、対物レンズ１４の焦点位置が光軸方向に変化する。このとき、ハーフプリズム１２とピンホール板２１との間隔が変化するが、照明光が平行光で集光レンズ２３に導かれるため、ピンホール２２への照明光の集光状態は変化しない。

これにより、ピンホール２２を通過した照明光が測定対象物５の表面で集光する高さ（合焦位置）が変化し、測定対象物５の表面を撮像する位置を光軸方向に連続的に変化させることができる。これと同時に、回転ドラム２０の回転によってピンホール２２を通過した光スポットが測定対象物５の表面を２次元的に走査して視野全体の共焦点像を形成する。

これにより、焦点位置を測定対象物５に対して光軸方向に移動させて異なる焦点位置の画像が取得される。そして、取得した複数の画像に基づいて測定対象物５の高さが演算制御部４０で算出される。

このとき、撮像素子３０による共焦点画像の取得は回転ドラム２０の回転に同期させる。回転ドラム２０の回転軸ＡＸ上にエンコーダ等の回転位置検出手段を設けたり、ピンホール板２１に対応した回転ドラム２０の外周面２２Ａや底面２２Ｂに付けたマーキングを光学的、磁気的又は電気的に読み取る読取手段を設けたりすることで同期をとることができる。

なお、ピンホール板２１の大きさがピンホール板２１を透過する光束より十分に大きく、回転ドラム２０の回転が安定し、かつ測定対象物５からの反射光量が十分に得られる場合には同期の必要はない。

この実施形態によれば、従来例のように直角ミラー、コーナキューブプリズム等を備えていないため、広視野の対物レンズを用いたときであっても共焦点光学系及び高さ測定装置の小型化を図ることができる。

図２はこの発明の第２実施形態に係る高さ測定装置の光学系の構成を示すブロック図であり、第１実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。

この実施形態は回転ドラム２０を用いず、直動機構（駆動手段）１２５によって１枚のピンホール板１２１を光軸方向へ移動させるようにした点で第１実施形態と相違する。

共焦点光学系１１０は光源１１とハーフプリズム１２とレンズ１３とピンホール板１２１と直動機構１２５と測長機構１２６と低倍の対物レンズ１４とλ／４板１５とを有する。

直動機構１２５はピンホール板１２１を保持するピンホール板保持部材１２０を光軸Ｌ３方向へ案内する案内部材（図示せず）とピンホール板保持部材１２０を案内部材に沿って移動させる駆動部（図示せず）とで構成されている。駆動部を駆動したとき、ピンホール板１２１が案内部材に沿って光軸Ｌ３方向へ移動する。

測長機構１２６はピンホール板１２１の位置を検出する。

このような構成の高さ測定装置では、まず、測定範囲からピンホール板１２１の移動範囲を設定する（ピンホール板１２１の移動範囲を任意に設定できる）。

その後、駆動部を駆動してピンホール板１２１を移動させると、ピンホール板１２１の移動にしたがってピンホール１２２から対物レンズ１４までの光路長が変化するため、対物レンズ１４の焦点位置が光軸方向に変化する。このとき、ハーフプリズム１２とピンホール板１２１との間隔が変化するが、照明光が平行光で集光レンズ２３に導かれるため、ピンホール１２２への照明光の集光状態は変化しない。

これにより、ピンホール１２２を通過した照明光が測定対象物５の表面で集光する高さが変化し、測定対象物５の表面を撮像する位置を光軸方向に連続的に変化させることができる。これと同時に、測定対象物５を載置したステージ（図示せず）を光軸Ｌ３に直交する２次元方向に移動させて測定対象物５を２次元的に走査する。

これにより、焦点位置を測定対象物５に対して光軸Ｌ３方向に移動させて異なる焦点位置の画像が取得される。そして、取得した複数の画像に基づいて測定対象物５の高さを算出することができる。

この実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、回転ドラム等がない分だけ共焦点光学系及び高さ測定装置を第１実施形態より小型化することができる。

なお、特許請求の範囲の発明には含まれないが、前述の集光レンズ２３の集光スポット径が、十分に小さく、対物レンズ１４のエアリーディスク径と同等の大きさであるときには、ピンホール２２を形成する必要はない。

図１はこの発明の第１実施形態に係る高さ測定装置の光学系の構成を示すブロック図である。 図２はこの発明の第２実施形態に係る高さ測定装置の光学系の構成を示すブロック図である。

符号の説明

５ 測定対象物
１０ 共焦点光学系
１１ 光源
２０ 回転ドラム（ピンホール位置変更手段）
２１，１２１ ピンホール板
２２，１２２ ピンホール
２３ 集光レンズ
３０ 撮像素子（画像取得手段）
４０ 演算制御部（算出手段）
１２０ 直動機構（駆動手段）
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 光軸

Claims (3)

1. ピンホールが形成された複数のピンホール板と、
   光源からの光を平行光にする第１のレンズと、
   前記平行光を前記ピンホールに集光する複数の第２のレンズと、
   前記ピンホールを通過した光を測定対象物に集光させる対物レンズと、
   前記対物レンズの光軸方向のお互いに異なる位置に、それぞれ前記ピンホール板と第２のレンズとを備え、前記ピンホールの前記光軸方向の位置を切り換えるピンホール位置変更手段と
   を備えていることを特徴とする共焦点光学系。
2. 前記ピンホール位置変更手段は、前記複数のピンホール板と前記複数の第２のレンズとを環状に配置されており、前記複数のピンホール板と前記複数の第２のレンズとを前記配置の方向に沿って回転駆動させることを特徴とする請求項１記載の共焦点光学系。
3. 請求項１又は２記載の共焦点光学系と、
   この共焦点光学系の焦点位置を測定対象物に対して光軸方向に相対移動させ、異なる焦点位置の画像を取得する画像取得手段と、
   前記画像取得手段によって取得された複数の画像に基いて前記測定対象物の高さを算出する算出手段と
   を備えていることを特徴とする高さ測定装置。

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