JP6547514B2 - 計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、計測装置に関する。

特許文献１には、光源と、該光源から出射される光束を、その光軸に直交する断面において輪帯状パターンの周方向の一部に輪帯欠損部が形成された断面形状を有する測定光束に整形可能な光束整形部と、輪帯欠損部の形成位置を変更する遮光位置変更部と、測定光束を被測定試料の被測定面上に集光する第１の集光光学系と、測定光束のうち、前記被測定試料によって反射された反射光束を集光する第２の集光光学系と、該第２の集光光学系を挟んで、被測定面と光学的に共役な位置関係に配置された開口絞りと、該開口絞りを通過した光束を測光する測光部と、第２の集光光学系によって、被測定面と光学的に共役とされた像面における第２の集光光学系による投影像が観察可能な観察部と、を備える、測光装置が開示されている。特許文献１に開示された測光装置では、計測する光線の欠損部の対策において、この欠損部の形成位置を変更するために遮光部材を移動させている。

特許文献２には、少なくとも一つの共役面にて対象面を像形成するための受理系と、受理系の開口絞りの面又はこれに共役な面である受理系の少なくとも一つの瞳孔面とを備えた器具において、要素的に互いに無関係にコントロールされる少なくとも一つのビーム操作ユニットＥＭＳが、対象面に対し共役な面にて、そして少なくとも一つのＥＭＳが瞳孔面にて配置され、その際、ＥＭＳがそれぞれインターフェイスを介して、プログラミングを通じて異なるビーム路を生じ得るように放射線の特性を操作するために、ＥＭＳの要素をコントロールする情報技術システムＩＴＳと結合されていることを特徴とする器具が開示されている。特許文献２に開示された器具では、計測する光線の欠損部の対策において、照射するビームを移動させて調整している。

特開２０１４−０９２３６６号公報 特表２００４−５２２４８８号公報

本発明の課題は、２枚のレンズ及びレンズ間に配置された絞りを有するテレセントリック光学系を介して対象物に照射光を照射し、対象物からの反射光を受光する方式の計測装置において、半透過鏡の位置に配慮しない場合と比較して、小型化を達成しつつ受光出力分布の欠落を抑制することである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の計測装置は、対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、前記第１のレンズから出射された前記照射光を絞る開口部を有する絞り部と、前記開口部を通過した前記照射光を集光するとともに予め定められた方向から前記対象物に照射する第２のレンズと、前記絞り部と前記第２のレンズとの間に配置され、前記照射光が前記対象物に照射されて反射し前記第２のレンズを透過した反射光の少なくとも一部を受光する第１の受光部と、前記第１のレンズと前記絞り部との間に配置され、かつ前記第１のレンズから出射された前記照射光を前記絞り部に向けて透過させると共に前記開口部を通過した前記反射光を反射させる半透過鏡と、前記半透過鏡で反射された前記反射光を受光する第２の受光部と、前記第１の受光部の受光結果及び前記第２の受光部の受光結果を用いて前記対象物を計測する計測部と、を含むものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記発光部は、前記予め定められた方向と交差する方向に配列された複数の発光素子を含み、前記第１の受光部は、前記予め定められた方向と交差する面内に配置された複数の第１の受光素子を含み、前記第２の受光部は、少なくとも１つの第２の受光素子を含み、前記複数の発光素子の発光タイミングと、前記複数の第１の受光素子及び前記第２の受光素子の受光タイミングとを制御する制御部をさらに含むものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記制御部は、前記複数の発光素子を順次発光させ、前記複数の発光素子の各々の発光ごとに前記複数の第１の受光素子及び前記第２の受光素子が受光するように制御するものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記半透過鏡は、前記照射光の照射方向に対し、前記複数の発光素子の配列方向に平行な軸を中心として傾けて配置されたものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記複数の第１の受光素子の受光面と前記第２のレンズとの距離は前記第２のレンズの焦点距離と等しくされたものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記半透過鏡と前記第２の受光部との間に、前記半透過鏡で反射された前記反射光を前記第２の受光部に向けて集光する第３のレンズをさらに含むものである。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の発明において、前記計測部は、前記第１の受光部の受光結果と予め定められた係数が乗じられた前記第２の受光部の受光結果とを含めた出力分布を生成し、前記出力分布を用いて前記対象物を計測するものである。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の発明において、前記開口部と前記第１のレンズとの距離は前記第１のレンズの焦点距離と等しくされ、かつ前記開口部と前記第２のレンズとの距離は前記第２のレンズの焦点距離と等しくされたものである。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の発明において、前記発光部と前記第２の受光部との間に配置され、前記第２の受光部に入射されないように前記照射光を遮光する遮光部材と、前記絞り部の前記発光部側の面上に配置され、前記照射光の反射を防止する反射防止部材と、をさらに含むものである。

請求項１に記載の発明によれば、半透過鏡の位置に配慮しない場合と比較して、小型化を達成しつつ受光出力分布の欠落が抑制される、という効果が得られる。

請求項２に記載の発明によれば、制御部によって制御しないで発光素子を常時発光させ、受光素子で常時受光される場合と比較して、照射光と反射光とが容易に分離される、という効果が得られる。

請求項３に記載の発明によれば、発光素子を一括して発光させる場合と比較して、発光素子ごとに受光部からの出力分布が取得される、という効果が得られる。

請求項４に記載の発明によれば、半透過鏡が、照射光の照射方向に対し、複数の発光素子の配列方向に垂直な軸を中心として傾けて配置される場合と比較して、半透過鏡を透過させる発光部からの照射光の範囲、あるいは半透過鏡で反射させる反射光の範囲が拡大される、という効果が得られる。

請求項５に記載の発明によれば、第１の受光素子の受光面と第２のレンズとの距離を第２のレンズの焦点距離と異なる長さとした場合と比較して、対象物の位置が上下左右に変動しても、異なる照射光が対象物の同じ位置に照射されて、同じ出力分布が得られる、という効果が得られる。

請求項６に記載の発明によれば、第３のレンズなしで第２の受光部で直接反射光を受光する場合と比較して、第２の受光部が小型化される、という効果が得られる。

請求項７に記載の発明によれば、係数を乗ずることなく第２の受光部の受光結果と第１の受光部の受光結果とを含めた出力分布を生成する場合と比較して、正確な出力分布が取得される、という効果が得られる。

請求項８に記載の発明によれば、開口部と第１のレンズとの距離を第１のレンズの焦点距離と異なる長さとした場合、又は前記開口部と第２のレンズとの距離を第２のレンズの焦点距離と異なる長さとした場合と比較して、テレセントリックレンズが構成される、という効果が得られる。

請求項９に記載の発明によれば、照射光を遮光する遮光部材、あるいは照射光の反射を防止する反射防止部材を有さない場合と比較して、より精度の高い受光出力分布が取得される、という効果が得られる。

第１の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す正面図である。 第１の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す側面図である。 実施の形態に係る受光器の構成の一例を示す平面図である。 実施の形態に係る制御部の構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態に係る発光器及び受光器の制御を説明するためのタイムチャートである。 第１の実施の形態に係る計測装置の受光出力分布の計測方法、及び受光出力分布における欠損を説明するための図である。 比較例に係る計測装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る計測装置の動作を説明するための図である。 第２の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す正面図である。

［第１の実施の形態］
図１ないし図８を参照して、本実施の形態について詳細に説明する。まず、図１及び図２を参照して、本実施の形態に係る計測装置１０の構成の一例について説明する。

図１に示すように、計測装置１０は、発光器１４、光学系３０、受光器１８、集光光学系７０、及び制御部２０を含んで構成されている。計測装置１０は、−Ｘ方向に移動する対象物ＯＢの微細領域に、Ｚ軸方向から順次光を照射し、各々の反射光の反射角度分布（光量分布の反射角度依存性）を取得する。取得した反射角度分布を用い、対象物ＯＢの形状の変化や表面状態（シボ、エンボス、表面粗さ、表面欠陥、異物付着等）について、対象物ＯＢとの距離や対象物ＯＢの角度の変動に影響されずに計測がなされる。

より詳細には、図１に示すように、発光器１４は、−Ｘ方向に移動する対象物ＯＢが通過する計測領域Ｔに対して、装置上下方向（Ｚ軸方向）の上方に配置されている。また、発光器１４は、基板１４Ａ上Ｙ軸方向に並べて実装され、−Ｚ方向を発光方向とする複数の発光素子１２を備えている。換言すれば、複数の発光素子１２は、対象物ＯＢの移動方向（−Ｘ方向）に対して直交（交差）する方向に並べられている。なお、図１では、基板１４ＡのＹ軸方向の一端部（図中右端）に配置された発光素子１２を発光素子１２Ａと表記し、基板１４ＡのＹ軸方向他端部（図中左端）に配置された発光素子１２を発光素子１２Ｂと表記し、基板１４Ａの中央に配置された発光素子１２を発光素子１２Ｃと表記している。

本実施の形態に係る複数の発光素子１２は、発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまで、時間差を設けて順次発光されるように構成され、各発光素子１２からの光が対象物ＯＢの異なる位置に順次照射される。そして、対象物ＯＢが計測領域Ｔにおいて−Ｘ方向に移動する間に、発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまでの１周期の発光が複数回繰り返されるように構成されている。図２には、発光素子１２Ｃから出射される照射光ＩＦの光束が、図１には、照射光ＩＦが対象物ＯＢの表面２００で反射された反射光ＲＦが示されている。

発光素子１２としては特に限定されないが、一例として、面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）等が用いられる。

光学系３０は、レンズ３２、レンズ３４、及びレンズ３２とレンズ３４との間に配置された絞り４０を含み、いわゆる両側テレセントリックレンズとして構成されている。光学系３０は、発光器１４と対象物ＯＢとの間に配置され、発光素子１２から発光された照射光を対象物ＯＢに導くと共に、対象物ＯＢで反射された反射光を受光器１８に導く。本実施の形態では、レンズ３２の光軸とレンズ３４の光軸とが共通の光軸Ｍとされ、この光軸Ｍが、発光器１４の発光素子１２Ｃの中心、及び後述する開口部４２の中心を通っている。

レンズ３２は、一例として、平面視で円形状の凸レンズとされ、レンズ３２の直径Ｊ（図２参照）は、発光素子１２Ａから発光素子１２ＢまでのＹ軸方向の寸法Ｄ（図１参照）より長くされている。そのため、各発光素子１２から発光された光のほぼすべてはレンズ３２を透過し、レンズ３２を透過した光は発散度合を変えられ、平行光とされてレンズ３４に向かう。

レンズ３４は、一例として、平面視で円形状の凸レンズとされ、本実施の形態では、レンズ３４の直径Ｇは、レンズ３２の直径Ｊより長くされている。そして、レンズ３４は、レンズ３２から出射されてレンズ３４を透過する光束を対象物ＯＢの表面２００に向けて集光する。なお、レンズ３４の集光点の位置（焦点）を、必ずしも対象物ＯＢの表面２００の位置とする必要はない。集光点の位置を表面２００の位置からずらし（デフォーカスし）、表面２００上における照射光ＩＦの照射径、つまり、対象物ＯＢの照射領域の大きさを調整するようにしてもよい。なお、本実施の形態に係る照射径は、一例として数１０μｍである。

絞り４０には、略円形状の開口部４２が形成されており、この開口部４２によって、発光素子１２から発光されレンズ３２を透過してレンズ３４に入射する光束を絞る。より具体的には、絞り４０は、板面をＸ−Ｙ平面に平行とされた板状とされ、絞り４０には、光軸Ｍの周囲でレンズ３４側に屈曲して先細りとされた先端部が形成されている。この先端部が、開口部４２を構成する開口縁４２Ａとされており、開口部４２によって形成される円形状は、光軸Ｍを中心軸としている。なお、本実施の形態に係る開口部４２の直径は、一例として約１ｍｍである。

そして、Ｚ軸方向において、この開口縁４２Ａとレンズ３２との距離Ｆ１は、レンズ３２の焦点距離ｆ１と略等しくされ、開口縁４２Ａとレンズ３４との距離Ｆ２は、レンズ３４の焦点距離ｆ２と略等しくされている。

以上のように構成された本実施の形態に係る光学系３０は、順次発光された各発光素子１２からの光束を、発光素子１２の位置によらずに、細く絞られかつ光軸Ｍに平行な照射光ＩＦ（図６参照）として対象物ＯＢに照射する。換言すれば、各発光素子１２を発光させて走査することにより、細く絞られ互いに平行な略円形断面の光束が対象物ＯＢに順次照射される。さらに、本実施の形態に係る計測装置１０では、照射光ＩＦの光束のレンズ３４による集光点付近に対象物ＯＢを配置することにより、対象物ＯＢにおける各照射光ＩＦの照射領域がほぼ同径の微細な領域とされている。このことにより、計測装置１０では、対象物ＯＢの位置がＺ軸方向で上下変動しても、ほぼ同じ照射径で各照射光が照射されるため、対象物ＯＢの像のボケが極めて小さくされる。

受光器１８は、複数の受光素子１６を含んで構成され、対象物ＯＢで反射され光学系３０のレンズ３４を透過した反射光ＲＦを受光する。図１、図２に示すように、本実施の形態に係る受光器１８は、レンズ３２とレンズ３４との間に配置された絞り４０の、Ｚ軸方向下側に配置されている。受光素子１６としては、特に制限はないが、例えば、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）等が用いられる。

受光器１８がレンズ３２とレンズ３４との間に配置されるため、受光素子１６も同様に、レンズ３２とレンズ３４との間に配置される。ここで、受光素子１６がレンズ３２とレンズ３４との間に配置されるとは、図２に示されるように、レンズ３４の外径端（表面Ｒ（ｒａｄｉｕｓ）と裏面Ｒの仮想接点）を通ってＺ軸方向に延びる線Ｐで構成される円筒面に対し内側に受光素子１６が配置されることをいう。

図３（ａ）に、受光器１８の構成の一例を示す。図３（ａ）は、受光器１８を、Ｚ軸方向から見た平面図である。図１に示す受光器１８は、図３（ａ）のＸ−Ｘ’で切断した断面図を表している。図３（ａ）に示すように、受光器１８は、一例として、中央に略円形の開口部１８Ｂを有する略円形の基板１８Ａの上に、複数の受光素子１６（図３（ａ）では、６０個の例が示されている）が面状（アレイ状）に配置されて構成されている。計測装置１０では、この複数の受光素子１６の全体を受光領域ＲＡとして反射光ＲＦを受光する。なお、図３（ａ）では、基板１８Ａ上の全面に複数の受光素子１６を配置した形態の受光器１８を例示しているが、これに限られず、反射光ＲＦの受光範囲等に応じて受光素子１６を基板１８Ａの一部に配置した形態の受光器１８としてもよい。

受光領域ＲＡで受光される反射光ＲＦの範囲は、一例として、光軸Ｍに平行な軸を中心とした角度０°〜４０°の範囲の反射光ＲＦである。この反射光ＲＦが受光領域ＲＡで受光されると、各受光素子１６の受光光量により立体的な分布が形成される。完全拡散面において反射された場合のように、反射光ＲＦが等方的な場合には、この立体的な分布の、Ｚ軸を含む平面で切断した断面の形状は、図３（ｂ）に示すように略ガウス曲線となる。
なお、図３（ｂ）の横軸の受光素子番号１〜６は、図３（ａ）に示した受光素子１６の番号１〜６である。また、受光領域ＲＡにおける受光素子１６と受光素子１６との間では反射光ＲＦが受光されないので、実際の出力分布は離散的となるが、図３（ｂ）ではこれを省略して図示している。

さらに、計測装置１０では、受光素子１６の受光面と開口縁４２ＡとがＺ軸方向上同じ位置とされているので、受光素子１６の受光面とレンズ３４との距離Ｆ２は、レンズ３４の焦点距離ｆ２と同じ長さとされている。このため、対象物ＯＢの位置がＺ軸方向において上下に変動して、あるいは、Ｙ軸方向において左右に変動して、異なる発光素子からの照射光ＩＦが照射されても、対象物ＯＢへの照射位置が同じである限り、受光領域ＲＡにおける出力分布は常に一定となる。

換言すれば、対象物ＯＢとして照射径程度の大きさの微小な領域を仮定すると、この対象物ＯＢがＺ軸方向において上下に、あるいは、Ｙ軸方向において左右に移動した場合、異なる発光素子１２による異なる照射光ＩＦで照射され、異なる反射光ＲＦを反射することになるが、本実施の形態に係る計測装置１０では、受光領域ＲＡに含まれる受光素子１６全体による出力分布は、反射光ＲＦの発生位置によらず常に同じ出力分布となる。

制御部２０は、図４に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１００、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１０２、及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０４を含んで構成されている。ＣＰＵ１００は、計測装置１０の全体を統括、制御し、ＲＯＭ１０２は、計測装置１０の制御プログラム等を予め記憶する記憶手段であり、ＲＡＭ１０４は、制御プログラム等のプログラムの実行時のワークエリア等として用いられる記憶手段である。ＣＰＵ１００、ＲＯＭ１０２、及びＲＡＭ１０４は、バスＢＵＳによって相互に接続されている。

バスＢＵＳには、発光器１４、受光器１８、及び後述する受光素子５４が接続されており、発光器１４、受光器１８、及び受光素子５４の各々は、バスＢＵＳを介してＣＰＵ１００の制御を受ける。

図５を参照して、制御部２０による発光器１４、受光器１８、及び受光素子５４の制御について説明する。図５（ａ）は、上述したように発光器１４の発光素子１２を順次発光させる場合において、ある発光素子１２を発光させるための発光パルス信号Ｐ１を、図５（ｂ）は、次の発光素子１２を発光させるための発光パルス信号Ｐ２を各々示している。
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る発光器１４の制御では、発光パルス信号Ｐ１と発光パルス信号Ｐ２との間に、予め定められた期間の無信号（０レベル）時間が設けられている（図５の時刻ｔ２、ｔ４に対応する部分）。図５（ｃ）は、発光パルス信号Ｐ１、Ｐ２によって発光素子１２から発生した照射光ＩＦによる反射光ＲＦを、受光器１８及び受光素子５４（以下、受光器１８に含まれる受光素子１６の全てと受光素子５４とを総称して「全受光素子」という）で受光する際の読取パルスを示している。この読取パルスにより、全受光素子の受光光量が読み取られ、出力分布を示す信号とされる。

まず、発光パルス信号Ｐ１によって発生した照射光ＩＦの反射光ＲＦを、時刻ｔ１において全受光素子で読み取る。いま、全受光素子の個数をｋ個とすると、各受光素子からｋ個の受光信号Ｓｒ（１）、Ｓｒ（２）、・・・、Ｓｒ（ｋ）が得られる。次に、時刻ｔ２において、発光パルス信号Ｐ１と発光パルス信号Ｐ２との間の０レベルの受光光量を全受光素子によって読み取る。全受光素子で読み取られたｋ個の受光信号をＳｒ０（１）、Ｓｒ０（２）、・・・、Ｓｒ０（ｋ）とする。次に、全受光素子の反射光ＲＦの受光信号と０レベルの受光信号との差分、すなわち、Ｓｒ（１）−Ｓｒ０（１）、Ｓｒ（２）−Ｓｒ０（２）、・・・、Ｓｒ（ｋ）−Ｓｒ０（ｋ）を算出し、このｋ個の差分値を受光光量の出力分布とする。発光パルス信号Ｐ２以降も同様にして出力分布を算出する。なお、本実施の形態では、受光素子５４の受光信号に補正係数を乗じ、受光素子１６の受光信号と合成するが、この補正の詳細については後述する。

なお、上記のように、反射光ＲＦの受光信号から無信号時の受光信号を減算して反射光ＲＦによる出力分布を示す信号を生成するのは外乱光による影響を除くためであり、外乱光の影響が無視できる場合には、反射光ＲＦの受光信号をそのまま出力分布を示す信号としてもよい。また、この場合には、連続する発光パルス信号の間を空ける必要もなく、さらには、受光するタイミングは読取パルスで決まるので、一部が重なっていてもよい。

一方、集光光学系７０は、ハーフミラー５０、レンズ５２、及び受光素子５４を含んで構成され、絞り４０の開口部４２を透過した反射光ＲＦを集光させる機能を有している。
図６を参照して、対象物ＯＢの反射特性（例えば、表面の凹凸度合）を計測する場合の計測装置１０の動作及び集光光学系７０の機能について、より詳細に説明する。図６（ａ）ないし（ｃ）は、集光光学系７０が無い状態において、発光器１４の発光素子１２Ａ、１２Ｃ、１２Ｂが順次発光した場合の、照射光ＩＦ光束、及び、照射光ＩＦが対象物ＯＢの表面２００で反射し、受光器１８に導かれる反射光ＲＦの光束を各々示している。

まず、対象物ＯＢが−Ｘ方向に移動して、対象物ＯＢの先端が計測領域Ｔに進入すると、時間差を設けて各発光素子１２が順次発光し、対象物ＯＢに向けて照射光ＩＦが順次照射される。そして、対象物ＯＢの後端が計測領域Ｔを通り抜けるまで、発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまでの１周期の発光が繰り返される。先述したように、この発光素子１２の発光制御は、制御部２０によって実行される。

各発光素子１２で発光された照射光ＩＦの光束は、レンズ３２によって、レンズ３４の方向に向くようにその発散度合が変えられる。レンズ３２によって発散度合が変えられた光束は、絞り４０によって絞られる（制限される）。絞り４０によって絞られた光束はレンズ３４によって集光され、Ｚ軸方向から対象物ＯＢに照射される。換言すれば、対象物ＯＢは、照射光ＩＦのレンズ３４による集光点付近に配置される。本実施の形態に係る照射光は、先述したように、対象物ＯＢの表面２００において、一例として数１０μｍφ程度まで集光される。

対象物ＯＢに照射された照射光ＩＦは、対象物ＯＢの表面２００で反射し、反射光ＲＦ（図６では、矢印付点線で示されている）を生成する。反射光ＲＦの光束は、レンズ３４によって、各受光素子１６の方向に向かうように方向が変えられる。レンズ３４を透過した反射光ＲＦは、各受光素子１６によって受光される。

対象物ＯＢの表面２００の状態に応じ、照射光ＩＦは様々な方向に反射されるが、本実施の形態では、先述したように、照射光のＩＦの表面２００への入射点を通る、光軸Ｍに平行な軸を中心として０°〜４０°の角度の範囲の反射光ＲＦを受光する。従って、１個の発光素子１２から発光される照射光ＩＦに対応する受光器１８の受光領域ＲＡは、略円形となる。図３（ａ）の受光領域ＲＡは、その一例を示したものである。

各受光素子１６で受光された受光信号は、先述したように、制御部２０の制御によって、予め定められたタイミングで読み取られる。読み取られた受光信号はＲＡＭ等の記憶手段に一時的に記憶されてもよい。制御部２０は、各発光素子１２に対応する受光信号（輝度信号）を用いて受光領域ＲＡごとの出力分布（受光プロファイル）を生成する。この出力分布には反射光ＲＦの角度情報が含まれるので、例えば対象物ＯＢの凹凸度合が計測される。

ここで、先述したように、本実施の形態に係る受光器１８は、基板１８Ａの中央に、絞り４０の開口部４２に対応する開口部１８Ｂを有するため、図６の各図のいずれの状態においても、反射光ＲＦの一部である反射光ＲＦｄ、すなわち、光軸Ｍに平行な照射光ＩＦに対する反射光及びその周囲の一定範囲の反射光からなる反射光ＲＦｄが、この開口部１８Ｂ及び開口部４２を通過してしまう。従って、受光器１８の出力分布にはこの反射光ＲＦｄに起因する欠損（欠落）が発生し、さらにこの欠損は、多くの場合出力分布（例えば、ガウス分布）の頂点付近に発生する。従って、この反射光ＲＦｄを受光する何らかの対策を施すことが望ましい。

上記の、反射光ＲＦｄに起因する出力分布欠損を発生させないように構成された比較例に係る計測装置として、図７に示す計測装置９０がある。図７を参照し、計測装置９０について説明する。なお、図７には、発光素子１２Ｃから発光された照射光ＩＦ、及び照射光ＩＦが対象物ＯＢの表面２００で反射された反射光ＲＦが示されている。

図７に示すように、計測装置９０は、発光器１４と、レンズ３２、レンズ３４、及び絞り９２を備えた光学系６０と、ハーフミラー９４と、受光器９８と、を含んで構成されている。計測装置９０は、計測装置１０の集光光学系７０の代わりに、ハーフミラー９４を備え、受光器１８が受光器９８に変更されている。

計測装置１０と同様に、発光器１４で順次発光された照射光ＩＦは対象物ＯＢの表面２００で反射され、反射光ＲＦを生成する。この際、照射光ＩＦは、レンズ３２、ハーフミラー９４、及びレンズ３４を透過して、対象物ＯＢの表面２００に到達する。

一方、反射光ＲＦは、図７に示すようにハーフミラー９４で反射され、Ｚ−Ｘ平面に平行な面内に配列された複数の受光素子９６を備えた受光器９８に導かれる。各受光素子９６の受光面とレンズ３４との距離（光路長）は、レンズ３４の焦点距離と等しくされている。受光器９８は、この複数の受光素子９６で受光された反射光ＲＦの受光信号を、出力分布を示す信号として出力する。計測装置９０によれば、反射光ＲＦは開口部４２に到達する前に光路を変更され、各受光素子９６に導かれるので、出力分布における欠損の発生が抑制される。

しかしながら、計測装置９０のハーフミラー９４は、全ての受光素子９６に向かう反射光ＲＦのほぼ全体を反射させるので、形状を大きくする必要がある。ハーフミラー９４の形状が大きくなると、絞り９２とレンズ３４との距離も長くなり、レンズ３４の焦点距離も長くなって、計測装置全体の大きさが大きくなってしまう。また、受光器９８で受光する光量も、発光素子１２から出射した光がハーフミラー９４を透過する際に１／２となり、反射光ＲＦがハーフミラー９４で反射される際に１／２となるので、結果的に１／４に減衰する。そのため、出力分布における欠損対策を施さない場合と比較して、受光器９８の受光感度が劣化してしまう。

そこで、本発明では、集光光学系７０を採用して、出力分布における欠損の発生を抑制することとしている。

再び図１及び図２を参照して、本実施の形態に係る集光光学系７０について説明する。
図１及び図２に示すように、集光光学系７０は、ハーフミラー５０、レンズ５２、及び受光素子５４を備えている。図２に示すように、各発光素子１２から発光された照射光ＩＦは、ハーフミラー５０を透過して、対象物ＯＢの表面２００に到達する。反射光ＲＦは表面２００で反射され、図１に示すように大部分が受光素子１６で受光され、反射光ＲＦの一部は、反射光ＲＦｄとして開口部４２を通過する。開口部４２を通過した反射光ＲＦｄは、図２に示すようにハーフミラー５０で反射され、レンズ５２を透過した後、受光素子５４で受光される。

ここで、受光素子５４は、受光素子１６と同じものであってもよいし、例えば、受光感度等が異なる他の種類の受光素子であってもよい。例えば、受光素子５４として、受光感度が受光素子１６の２倍であるものを用いれば、後述するハーフミラー５０の透過率、反射率に起因する受光素子１６と受光素子５４の光量出力における補正を行わなくてすむ。

図８を参照し、集光光学系７０の動作についてより詳細に説明する。図８（ｂ）は、図１に示す正面図の必要部分を抜き出して表した図、図８（ａ）は、図８（ｂ）のＤ方向から見た平面図である。

図８（ｂ）に示すように、発光器１４において発光素子１２Ａ（図１参照）から発光素子１２Ｂまで照射光ＩＦが順次発光されると、各照射光ＩＦに対する反射光が、反射光ＲＦａ（光軸Ｍに平行な反射光のみ示している）から反射光ＲＦｂまで、図中の白抜き矢印Ｓで示す方向に順次発生する。この反射光ＲＦａからＲＦｂまでの反射光（すなわち、反射光ＲＦのうちの一部）が反射光ＲＦｄとして開口部４２を通過し、ハーフミラー５０で反射される。本実施の形態に係る反射光ＲＦｄは、一例として、光軸Ｍに平行な軸を中心として０°〜５°の範囲（光束のＸ−Ｙ平面に平行な面における断面積）の光である。本実施の形態に係る反射光ＲＦは、先述したように、光軸Ｍに平行な軸を中心として０°〜４０°の範囲の光であるので、反射光ＲＦｄの範囲は、反射光ＲＦの範囲のおよそ１／１００（≒（ｔａｎ（５°）／ｔａｎ（４０°））^２）である。

ハーフミラー５０で反射された反射光ＲＦｄは、図８（ａ）に示すように、レンズ５２で集光され、白抜き矢印Ｓ方向に反射光ＲＦａからＲＦｂと順次受光素子５４で受光される。つまり、発光素子１２Ａから１２Ｂまで順次発光されると、受光器１８の受光素子１６で反射光ＲＦの一部が受光され、集光光学系７０の受光素子５４で、受光素子１６で受光された反射光ＲＦを補完する他の一部が受光される。受光素子１６で受光された受光信号、及び受光素子５４で受光された受光信号は、各々ＲＡＭ１０４等の記憶手段に一時的に記憶させてもよい。

制御部２０のＣＰＵ１００は、これらの受光信号を合成することにより、図３（ｂ）に示すような欠損のない出力分布を生成する（ただし、先述したように、受光領域ＲＡにおける受光素子１６と受光素子１６との間では反射光ＲＦが受光されないので、実際の出力分布は離散的となる）。なお、後述するように、受光素子５４で受光する反射光の光量は、受光素子１６で受光する反射光の光量の１／２となっているので、合成の際には、受光素子５４での受光信号の値を２倍にして合成する必要がある。ただし、この２倍という係数は、ハーフミラー５０の透過率、反射率に応じて、必要な場合にはさらに補正される。

このように、本実施の形態に係る計測装置１０によれば、ハーフミラー５０は、一方向に並んだ発光素子１２からの照射光ＩＦを透過し、反射光ＲＦの一部を反射させるだけの大きさですむので、外形が小さくてすむ。その結果、計測装置１０が小型化される。

また、受光素子５４が受光する反射光ＲＦｄは、上記比較例に係る計測装置９０と同様に、発光素子１２からの光がハーフミラー５０を透過し、さらにハーフミラー５０で反射されて光量が１／４となっている。しかしながら、反射光ＲＦの大部分は受光素子１６で受光され、この受光素子１６で受光される反射光ＲＦは、発光素子１２からの光がハーフミラー５０を透過して光量が１／２となった光である。従って、上記比較例に係る計測装置９０と比較して、受光器１８における受光感度の劣化も抑制される。なお、上記では、ハーフミラー５０の透過率及び反射率を各々５０％と仮定しているが、この透過率、反射率が５０％でない場合には、各々の値に応じて、受光素子１６及び受光素子５４で受光される光量は上記とは異なってくる。この場合には、実際の透過率、反射率の値に応じて受光素子５４の受光光量に対する補正値を２倍から変更すればよい。

ここで、上記実施の形態では、レンズ５２を略円形の凸レンズとした形態を例示して説明したが、これに限られない。レンズ５２は、図８（ａ）に示すように、Ｓ方向（−Ｙ方向）に走査される反射光ＲＦａからＲＦｂを集光すればよいので、このＹ軸方向の幅を確保すれば、Ｚ軸方向の幅の狭いレンズとしてもよい。さらには、Ｚ軸方向に集光機能がない、かまぼこ型のシリンドリカルレンズとしてもよい。また、受光素子５４の受光領域が、反射光ＲＦａから反射光ＲＦｂの範囲の光束を受光できれば、レンズ５２は設けなくともよい。

また、上記実施の形態では、図１に示すように、ハーフミラー５０の幅を受光器１８の直径とほぼ等しくした形態を例示しているが、これに限られない。ハーフミラー５０の幅を、発光素子１２から順次照射される照射光ＩＦを透過させられるだけの幅、及び反射光ＲＦｄを反射させられるだけの幅のいずれか大きい方の幅に設定することにより、集光光学系７０がさらに小型化される。

［第２の実施の形態］
図９を参照して、本実施の形態に係る計測装置１０Ａについて説明する。

図９に示すように、計測装置１０Ａは、集光光学系７０の周囲に遮光部材８０、反射防止部材８２Ａ、８２Ｂ（総称する場合は、「反射防止部材８２」）が配置されている点のみが、上述した計測装置１０と異なる。図９を参照して明らかなように、遮光部材８０がないと、発光素子１２から照射された照射光ＩＦが迷光となり、開口部４２を通過してくる反射光ＲＦｄと干渉したり、あるいは受光素子５４に直接入射したりする可能性がある。また、反射防止部材８２がないと、絞り４０等で反射した反射光が迷光となり、反射光ＲＦｄと干渉したり、あるいは受光素子５４に直接入射したりする可能性がある。このような光のクロストークが発生すると、照射光ＩＦがノイズとなり、反射光ＲＦｄの受光素子５４による受光光量が変動して、正しい出力分布が得られなくなる。

そこで、本実施の形態では、集光光学系７０の上部に、照射光ＩＦを遮光する遮光部材８０を設け、絞り４０の発光器１４側の面に、照射光ＩＦの反射を防止する反射防止部材８２Ａを設け、同様に絞り４０の周囲に、反射防止部材８２Ｂを設けている。遮光部材８０、及び反射防止部材８２は、例えば、各々遮光処理、反射防止処理が施されたテープを貼り付けて設けてもよい。このことにより、受光素子５４の受光における外乱光の影響が抑制されるので、より精度の向上した出力分布が得られる。

なお、上記各実施の形態では、集光光学系７０の光軸（ハーフミラー５０から受光素子５４に向かう光束の光軸）を、発光器１４の発光素子１２の配列方向と直交する方向（交差する方向）とする形態を例示して説明したが、これに限られず、発光素子１２の配列方向と同じ方向とする形態、すなわち、図１、図２に示す集光光学系７０をＺ軸を中心として９０°回転させた形態としてもよい。

また、上記各実施の形態では、集光光学系７０の受光素子５４を１個配置する形態を例示して説明したが、これに限られず、受光する光束の大きさ等に応じて複数個配置する形態としてもよい。

また、上記各実施の形態では、発光器１４として、一方向に一列だけ発光素子１２を配列させた形態を例示して説明したが、これに限られず、複数列配列させた形態としてもよい。また、その際列ごとに発光素子１２の発光波長を異ならせてもよい。列ごとに発光素子１２の発光波長を異ならせて発光させることにより、例えば、対象物ＯＢの表面２００における反射光の波長依存性が計測される。

また、上記各実施の形態では、レンズ３２、レンズ３４、及びレンズ５２を略円形の凸レンズとした形態を例示して説明したが、これに限られず、他の形態のレンズ、例えば非球面レンズ等を用いてもよい。さらに、各レンズにおいて、光束が透過されない不要部分を削除してもよい。これにより、計測装置１０がさらに小型化される。

１０、１０Ａ 計測装置
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 発光素子
１４ 発光器
１４Ａ 基板
１６ 受光素子
１８ 受光器
１８Ａ 基板
１８Ｂ 開口部
２０ 制御部
３０ 光学系
３２ レンズ
３４ レンズ
４０ 絞り
４２ 開口部
４２Ａ 開口縁
５０ ハーフミラー
５２ レンズ
５４ 受光素子
６０ 光学系
７０ 集光光学系
８０ 遮光部材
８２、８２Ａ、８２Ｂ 反射防止部材
９０ 計測装置
９２ 絞り
９４ ハーフミラー
９６ 受光素子
９８ 受光器
１００ ＣＰＵ
１０２ ＲＯＭ
１０４ ＲＡＭ
２００ 表面
ＢＵＳ バス
ＩＦ 照射光
Ｍ 光軸
ＯＢ 対象物
Ｐ１〜Ｐ４ 発光パルス信号
ＲＡ 受光領域
ＲＦ、ＲＦａ、ＲＦｂ、ＲＦｄ 反射光
Ｔ 計測領域

Claims (9)

1. 対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、
   前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、
   前記第１のレンズから出射された前記照射光を絞る開口部を有する絞り部と、
   前記開口部を通過した前記照射光を集光するとともに予め定められた方向から前記対象物に照射する第２のレンズと、
   前記絞り部と前記第２のレンズとの間に配置され、前記照射光が前記対象物に照射されて反射し前記第２のレンズを透過した反射光の少なくとも一部を受光する第１の受光部と、
   前記第１のレンズと前記絞り部との間に配置され、かつ前記第１のレンズから出射された前記照射光を前記絞り部に向けて透過させると共に前記開口部を通過した前記反射光を反射させる半透過鏡と、
   前記半透過鏡で反射された前記反射光を受光する第２の受光部と、
   前記第１の受光部の受光結果及び前記第２の受光部の受光結果を用いて前記対象物を計測する計測部と、
   を含む計測装置。
2. 前記発光部は、前記予め定められた方向と交差する方向に配列された複数の発光素子を含み、
   前記第１の受光部は、前記予め定められた方向と交差する面内に配置された複数の第１の受光素子を含み、
   前記第２の受光部は、少なくとも１つの第２の受光素子を含み、
   前記複数の発光素子の発光タイミングと、前記複数の第１の受光素子及び前記第２の受光素子の受光タイミングとを制御する制御部をさらに含む
   請求項１に記載の計測装置。
3. 前記制御部は、前記複数の発光素子を順次発光させ、前記複数の発光素子の各々の発光ごとに前記複数の第１の受光素子及び前記第２の受光素子が受光するように制御する
   請求項２に記載の計測装置。
4. 前記半透過鏡は、前記照射光の照射方向に対し、前記複数の発光素子の配列方向に平行な軸を中心として傾けて配置された
   請求項２又は請求項３に記載の計測装置。
5. 前記複数の第１の受光素子の受光面と前記第２のレンズとの距離は前記第２のレンズの焦点距離と等しくされた
   請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の計測装置。
6. 前記半透過鏡と前記第２の受光部との間に、前記半透過鏡で反射された前記反射光を前記第２の受光部に向けて集光する第３のレンズをさらに含む
   請求項１〜請求項５いずれか１項に記載の計測装置。
7. 前記計測部は、前記第１の受光部の受光結果と予め定められた係数が乗じられた前記第２の受光部の受光結果とを含めた出力分布を生成し、前記出力分布を用いて前記対象物を計測する
   請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の計測装置。
8. 前記開口部と前記第１のレンズとの距離は前記第１のレンズの焦点距離と等しくされ、かつ前記開口部と前記第２のレンズとの距離は前記第２のレンズの焦点距離と等しくされた
   請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の計測装置。
9. 前記発光部と前記第２の受光部との間に配置され、前記第２の受光部に入射されないように前記照射光を遮光する遮光部材と、
   前記絞り部の前記発光部側の面上に配置され、前記照射光の反射を防止する反射防止部材と、をさらに含む
   請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の計測装置。