JP7183508B2 - ３分光光学モジュール及びそれを利用した光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏光波、可視光Ｐ波、可視光Ｓ波の３分光光学モジュール及びこれら光学モジュールを利用した光学装置に関するものである。

光は、異なる物質間の境界面で光が反射するときの「入射面」と「電場又は磁場の振動方向」によってＳ偏光と Ｐ偏光とに区別される。光が境界面に入射するときには、その光をＳ波成分とＰ波成分とに分けることができ、全体としての反射率はＳ波成分の割合とＳ波の反射率との積及びＰ波成分の割合とＰ波の反射率との積を加算したものとなる。

また、円偏光の場合には常に、Ｓ偏光波成分とＰ偏光波成分との割合が均等であるが、Ｐ波の反射率は、どの入射角でもＳ波よりも低い。例示的に、空気中で水や液体などの透明体に光が入射する場合、Ｐ波の反射率はブリュースター角（約６０度近傍）で零となることが知られている。

また、光が薄膜などの対象物質の境界面で反射される際、反射光では振幅と位相が変化する。この入射光と反射光の偏光の変化を捉え、Ｓ偏光とＰ偏光における位相ずれと反射振幅比角（エリプソメトリー角）を測定することで、薄膜の厚さ、膜の屈折率、吸収（減衰）係数などが計測できるエリプソメータ装置として実用化されている。

これら光の偏光特性を利用して薄膜物体、透明物質、物体表面などの膜厚、物質状態を把握することができるため、各種物体の外観検査装置、微細加工装置、製品の欠陥・傷検査、薄膜状態測定装置、皮膚内蔵表面観察、表面加工膜濃度むら検出、植物・果実などの欠品検査装置など多種多様な計測、検査装置に適用されている。

Ｐ偏光波とＳ偏光波との特性を利用し、撮像による外観検査装置としては特許文献１において、半導体などの製造工程において問題となる半導体回路パターン欠陥を２ヶ所のＰ波成分画像及びＳ波成分画像を比較しお互いに異なる部分を欠陥として認識する外観検査装置が開示されている。

また、Ｐ偏光波画像とＳ偏光波画像の特性を利用してプリンタなどの画像濃度むらを制御する装置が特許文献２に開示されている。この装置では、Ｐ偏光波画像に入力信号に基づく画像情報によりプリンタなどの感光体への発光量を制御し、書き込まれた画像情報をＳ偏光波による常時発光する情報に基づく画像濃度の基準画像濃度からのずれを検出している。

また、特許文献３においては、アクリル板などの透明物質に照射した光の反射波をＰ偏光とＳ偏光とに分離し、それぞれの画像状態を把握しアクリル板などの欠陥状態を把握する透明物質欠陥検知装置が開示されている。

さらに、Ｐ偏光波及びＳ偏光波の偏光特性を利用して、人体、動物の皮膚表面の観察装置としてダーモスコープが知られている。このダーモスコープは、観察対象である病変皮膚面に光を照射し、目視による疾患状態を拡大して非接触式、非侵襲式で観察する医療用検査装置である。この観察法はダーモスコピー検査法として広く利用されており、皮膚表面の乱反射を少なくして皮膚面及び表皮下の構造を観察する。

この非接触式ダーモスコープは、光源を直線偏光したりすることにより病変表面の乱反射を遮断し、Ｐ偏光波及びＳ偏光波の違いにより表皮内層の組織構造が観察できるため、皮膚疾患の観察、検査が可能となっている。透過光は旋光性を有しているため皮膚を透過して反射された光を選択的に観察する。したがって、光源の波長により表皮下層の深さに応じた病変組織を観察することが可能となる。これらは、特許文献４などに開示されている。

上記の各種装置においては、Ｐ偏光波及びＳ偏光波を利用するために分光プリズム（偏光ビームスプリッタ）又は偏光板や偏光フィルタが利用されている。一般的には、観察対象物に光源からの光を照射し、対象物体からの反射波を取り込んで、分光プリズムによりＰ偏光波とＳ偏光波に分離し、それぞれを画像処理し、Ｐ波とＳ波との相違や透過特性、旋光特性を利用して、それぞれの画像を比較、観察している。

しかし、一旦分光プリズム内に取り込んだ画像はＰ偏光波又はＳ偏光波としての画像であり、これらを比較し物体表面の欠陥、キズ、状態などを比較し、画像目視するためには前後、又は違う箇所の画像との差分を検出したり、加工したりして観察する。そのため、いずれの画像が基準となるのかが判別しにくく、検査のやり直しや、データ画像が膨大になるなど処理が簡便に行えないなど不都合が生じていた。

また、これらのＰ偏光波及びＳ偏光波を画像検知として利用する場合、観察対象物質により詳細な状態を把握したり、Ｐ偏光波、Ｓ偏光波の画像状態と比較、観察する追加情報を得るための画像を必要とする場合が生じる。例えば、液晶を利用する偏光変調回路や液晶パネルにおいては図４に示すように液晶ラビング方向により液晶分子がベンド配向を有し、その液晶角度により入射角特性が異なり、これらの液晶パネルを投射型プロジェクタなどに利用する場合、偏光方向に沿った色ムラやパネルの均一性を検査する必要がある。つまり、Ｐ偏光波とＳ偏光波のみの画像に加えて４５度偏光波などの画像が取得できれば、Ｐ偏光波、Ｓ偏光波だけの画像比較でなく、より詳細かつ的確に物質の表面状態や表面層の物理状態が観察、検知可能となる。

特開２００７－７８４６６号公報 特開平７－２２５５０８号公報 特開２０１５－１３７９２号公報 特開２０１５－１８８５９０公報

上述したような物質表面の欠陥、キズ、均一性などをＰ偏光波及びＳ偏光波画像を利用して検査する表面状態観測装置や表面下の物質の状態を観察する画像処理に於いては、主として検査対象物質の表面とその表面下をＳ波及びＰ波により観察するのが一般的であった。

そのため、Ｐ偏光波画像とＳ偏光波画像による表面及び表面下の反射波を比較、検知することで画像処理しており、その中間状態や偏光状態が変化した画像を分光プリズムに入射した画像として取得することは行われていない。

物質の表面状態と表面下の中間部分を観察する場合は、光源の波長を変化させて光の透過特性や旋光特性を変化させて観察していた。また、偏光状態に応じた画像処理を行うには偏光変調による方法により光源からの偏光を変化させる必要があった。

さらに、これら種々の偏光特性の異なる画像を同時撮影したり、これらの画像を同時に同一スクリーン上に表示したり、それぞれの画像を比較したり、また差分検知したり、最良の画像の選択観察や検知を行うことでより詳細なデータが取得可能となる。

一方で、上記のような偏光特性を利用した表面状態監視装置や医療用顕微鏡などに組合せて使用する分光プリズムモジュールは、ますます小型化、軽量化が要望されおり、できるだけ簡易な構成で上述の課題を解決するような撮影装置やその構成部品が必要となっている。特に、１台の撮像カメラでそれぞれの偏光特性をもった画像を同時に取得し、画像表示できるような光学装置が望まれている。

本発明では、このような従来の構成が有している課題を解決しようとするものであり、小型、軽量化を達成できる分光プリズムで、Ｐ偏光波像とＳ偏光波像に加え偏光方向の異なる偏光波像とを分光する分光プリズム、それぞれの画像に対応した撮像素子と一体化された分光プリズムモジュール、並びにかかる分光プリズムモジュールを備えた光学機器を実現することを目的とするものである。

かかる課題を解決し上記目的を達成するために、本発明は、請求項１に記載の通り、３分光光学モジュールにおいて、第一の分光成分と第二の分光成分とを分離する第一の分光素子と、前記第一の分光素子から取り出した前記第一の分光成分を略０度から略１８０度の間で回動させて任意の偏光方向に偏光させる偏光フィルタと、前記偏光フィルタを介して得られた任意偏光方向偏光波像を撮影する第一の撮像素子と、前記第一の分光素子から取り出した第二の分光成分をＰ偏光波とＳ偏光波とに分離する第二の分光素子と、前記第二の分光素子により分離された前記Ｐ偏光波像を撮影する第二の撮像素子と、前記Ｓ偏光波像を撮影する第三の撮像素子とを一体化したことを主たる特徴とする。

さらに本発明は、請求項２に記載の通り、請求項１に記載の３分光光学モジュールにおいて、前記偏光フィルタは、前記第一の分光成分を所定の偏光方向で取得し得る目盛り又はクリックを備えていることを特徴とする。

さらに本発明は、請求項３に記載の通り、請求項１に記載の３分光光学モジュールにおいて、前記第一の分光素子はハーフミラーを構成するプリズム又はプレート板で構成され、前記第二の分光素子はＰ偏光波とＳ偏光波とを分離するビームスプリッタプリズム又は偏光プレート板で構成されていることを特徴とする。

さらに本発明においては、請求項４に記載の通り本発明による３分光光学モジュールにより前記任意偏光方向偏光波像、前記Ｐ偏光波像及び前記Ｓ偏光波像を同時に取得しうる光学機器とすることができる。

この様な構成により、Ｐ偏光波像、Ｓ偏光波像の他に偏光方向の異なる偏光波像を光学素子により分光し、それらを３種類の偏光波撮像を取得しうる分光光学モジュールを構成し、それらの分光光学モジュールを利用して光学観察装置を構成する。なお、上記した課題を解決する手段は、可能な限り組合せて使用することができる。

本発明による簡易なプリズムなどの光学素子の構成により、偏光変調装置などを用いて入射光の偏光状態を偏光して偏光像を取得する必要がなく、一体化されたモジュールにより、小型化、軽量化されたＰ／Ｓ偏光波以外の偏光波（特にＰ／Ｓ偏光を均等に合波する４５度又は１３５度等）、Ｐ偏光波、Ｓ偏光波の分光プリズムモジュールが達成でき、このモジュールを利用した人体や物体の表面状態の観察、検査、監視装置などの各種光学装置を構成することができる。

本発明による３分光光学プリズムモジュール及びそれを利用した光学装置では、観察対象物体や人体の表面及び表面下の状態をＰ偏光波像及びＳ偏光波像、さらに偏光波像（特に４５度又は１３５度等）が３分光プリズムモジュールにより同時に１台の撮像装置で取得することができる。Ｐ偏光波像又はＳ偏光波像では、それぞれの偏光特性に応じた物体や人体の表面及び表面下の状態が撮影・観察でき、物体や人体の表面反射波を除去した像が得られる。Ｐ偏光波とＳ偏光波とでは物体や人体の表面部位の反射波の除去が異なるため、それぞれの像を比較、観察し、物体の欠陥、キズ、異常、濃度むらなどが観察できる。

また、これらのＰ偏光波及びＳ偏光波を基準画像と比較したり、差分を検知したりすることで観察対象物体の欠陥、キズ、異常、濃度むらの数量、程度を含む状態を検知することができる。さらに、本発明では、観察対象物体の欠陥などをより詳細に観察したい場合、又は、Ｐ偏光波とＳ偏光波により取得した部分の中間部分や偏光状態により反射、吸収状態が異なると思われる部分を観察し、検知したい場合、偏光波像（特に４５度又は１３５度等）を分光プリズムにより取得し、比較、観察する。

また、本発明による光学装置により皮膚表面の病変部を観察する場合、Ｐ偏光波像及びＳ偏光波像により皮膚表面病変部分が、どの程度の広がりか、変色度合いなどの表皮状態を確認し、さらに表面観察で見分けられない内部炎症、色素沈着などＰ偏光波像やＳ偏光波像で観察できない皮膚表面下の組織病変を偏光波像により観察し把握することが可能となる。このように本発明を利用した皮膚表面観察装置では、１台の光学装置でＰ偏光波像、Ｓ偏光波像及び偏光方向の異なる偏光波像（特に４５度又は１３５度等）を同時に表示し、比較、観察できるためより正確な皮膚表面観察が可能となる。

また、その他の光学機器に本発明を適用することで、Ｐ偏光波像、Ｓ波偏光波像、偏光波像（特に４５度又は１３５度等）を１台で取得する撮像カメラ光学装置が得られ、かつ同時にモニター・ディスプレイ上で表示できるため、物体の薄膜構成、コーティング、透明膜、半透明物体、液体、などの表面構造や表面直下の欠陥、キズ、ゴミ、異常、状態把握などをそれぞれの偏光波状態において比較、観察、検知することができる。より具体的応用としては、人体のうぶ毛状態のミクロ観察、液晶パネルの配向特性の均一性や配向ムラを検査、観察する装置として利用することができ、また昼間の太陽光が乱反射する中でフロントガラスを介して車内中の人物を撮影する装置などへの幅広い応用が考えられる。このように、本発明は、物体や人体の表面状態や表面直下における状態、及び光の偏光状態が変化したような場合のより詳細で正確な観察、検知を可能とする。

本発明の実施例１に係る３分光プリズムモジュールの概略構成図である。 本発明の実施例１に係る３分光プリズムモジュールを適用した物体の表面観察装置の構成を示す概略図である。 検査対象物体のキズ、異物状態を示す説明図である。 液晶パネルの配向特性を示す説明図である。 本発明の実施例２に係るプレート型３分光モジュールの概略構成図である。

本発明は、物体や人体の表面状態及びその表面下の状態を簡易な構成でより詳細に観察、検査、比較しうる表面観察装置及びそれに用いられる３分光光学モジュール及びそれを利用した光学機器である。

以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。以下の実施例に記載されているいずれの図面も本発明の説明用に概略的な模式図として描かれており、実際の寸法や形状は特に限定するものではない。また、構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る３分光プリズムモジュールの概略構成図である。３分光プリズムモジュール１は、分光プリズム（ハーフミラー）２と、Ｐ偏光波とＳ偏光波に分離するプリズム（ビームスプリッタ）３及びリレープリズム４とを備えている。それぞれのプリズム２、３及び４は、キューブタイプで構成され、間隙なく密着させて構成する。

分光プリズム２は、可視光成分を２つに分離するハーフミラーで構成され、分光プリズム２の斜面５により反射された入射光は、リレープリズム４を介して、Ｐ／Ｓ以外の偏光方向を有する偏光フィルタ６へ導出される。この偏光フィルタ６は、回動可能な偏光フィルタとして構成し、略０度から略１８０度の間で偏光方向を変化できるように構成している。また、偏光フィルタ６を目盛又はクリック等で、設定容易となるように予め４５度が標準となるように設定しても良い。さらに、Ｐ波とＳ波の中間値である４５度（又は１３５度）の偏光フィルタで構成しても良い。また、他方の可視光成分は、斜面５を透過してＰ／Ｓビームスプリッタ３へ導かれる。上記リレープリズム４は、Ｐ偏光波及びＳ偏光波との光路長を同一にするためのものである。

また、分光プリズム２における偏光波用の可視光成分とＰ／Ｓ偏光波成分との分離・透過率は利用目的により適宜選択される設計事項である。一般的には偏光波用可視光成分、Ｐ偏光波成分、Ｓ偏光波成分とがそれぞれ均等となるよう分光プリズム２では、略々１／３を偏光波成分として反射させ、略々２／３をＰ／Ｓ偏光波成分として透過させるが、特にＰ／Ｓ偏光波以外の偏光波画像を重要視する場合などは、反射成分と透過成分とを均等にして偏光波成分をより多く確保する。

レンズ５０を通して集光した映像光は、分光プリズム２の入射面７に被写体を自然光として入射する。入射面７はレンズ光学系の光軸に対し垂直に配置される。前述の通り、入射面７に入射した映像可視光は分光プリズム２の反射面５において反射成分と透過成分とに分離される。反射面５により反射された可視光成分は、反射波の光路と垂直に形成されたリレープリズム４の射出面８よりプリズム外へ射出される。射出面８には、前記の通りＰ／Ｓ偏光波以外の偏光方向の偏光フィルタ６が設けられており、これにより入射した映像可視光は任意の偏光方向を有する偏光波として取り出される。

ここで、分光プリズム２は入射光を分割するだけでよくハーフミラーとして機能する。分光プリズム２により反射された入射光は反射時点で位相が１８０度反転しているため、４５度偏光フィルタの場合、偏光フィルタ６を通して得られる可視光成分は入射光に対し２２５度偏光されていることとなるが、Ｐ偏光波及びＳ偏光波に対し中間偏光波が得られれば良く、さらに４５度又は２２５度いずれの偏光特性であっても偏光フィルタ６の透過特性の挙動は同一であり問題ではない。本発明では説明の便宜上４５度偏光波と称しているが、２２５度偏光であっても良い。また、４５度偏光、２２５度偏光のいずれの場合も、これらの偏光特性の変化は、入射光の波長によっても変化するため厳密な偏光角度ではなく、略４５度又は略２２５度の偏光角度である。更に１３５度偏光、３１５度偏光についても同様であるし、Ｐ／Ｓ波の中間値以外の偏光方向であっても同様である。

プリズム４の射出面８と平行に偏光波像撮像用の固体撮像素子９が設けられて、この撮像素子９により偏光波像を撮影する。この偏光波像用固体撮像素子９は、その用途により受光感度が異なるがＣＣＤやＣＭＯＳなどのシリコン系高解像度の撮像素子を用いる。

一方、分光プリズム２を透過した可視光は、プリズム２と密着して構成されている分光プリズム３に入射する。分光プリズム３は偏光ビームスプリッタで、入射した可視光はＰ偏光波とＳ偏光波の分離膜を施した斜面（以下、Ｐ／Ｓ分離層）１０により、Ｐ偏光波を透過し、Ｓ偏光波を反射させる。基本的に、自然光に対する透過率対反射率は５０％：５０％に設定されている。

この分光プリズム３は、入射した可視光をＰ偏光波とＳ偏光波に略々均等分離するもので、入射光が偏光特性を有していても、自然光のように時間経過と共に偏光状態が変化するものであっても、常にＰ波、Ｓ波の偏光画像が得られる偏光タイプのプリズムを用いるのが望ましい。しかし、使用目的に応じて、例えば防犯監視カメラなどの用途では、ガラス越しの監視対象物を監視撮影するのにより良い画像を捉えれば十分であり、偏光状態をＰ偏光波又はＳ偏光波に厳密に揃えなくても偏光波がある程度分離されて画像比較されるようなビームスプリッタでも良い。

このＰ／Ｓ分離層１０は、多層の誘電体又は金属薄膜により構成されており、可視光帯域である７００ｎｍ以下の波長でのＰ／Ｓ偏光分離を選択する。この分光プリズム３は、キューブタイプのものであれば小型化が可能であり、誘電体多層膜のＰ／Ｓ分離層１０を形成する４５°傾斜アライメントが正確に確保できるなどの特徴を有する。

キューブタイプの偏光ビームスプリッタの場合、分離されたＰ偏光波とＳ偏光波との光路長は同じであり、Ｐ偏光波とＳ偏光波との光路差を検出することにより物体材質の異物や欠陥を検出する用途には好都合である。Ｐ偏光波の射出面１１及びＳ偏光波の射出面１２はそれぞれＰ／Ｓ偏光波の光軸と垂直となる。これら射出面と平行にＰ偏光波撮像素子１３、Ｓ偏光波の射出面１２と平行にＳ偏光波撮像素子１４が設けられており、Ｐ偏光波像及びＳ偏光波像をそれぞれ撮影し、映像信号として出力する。このＰ又はＳ偏光波用撮像素子は、単板カラー撮像素子で一定レベルの高解像度を要求されるもので構成されている。

分光プリズム２、分光プリズム３及びリレープリズム４のそれぞれの入射、射出光路面には反射防止（ＡＲ）コーティングが施されている。特に、プリズムの入出光路面７、８、１１、１２にはＡＲコーティングを施すことが望ましい。このＡＲコーティングは、反射防止コーティングであり戻り反射による迷光に起因するゴーストを抑え、希望する偏光波の透過率を向上させるためのもので、利用目的に応じて透過すべき波長の反射防止材を用いる。反射防止材はＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）などで誘電体多層膜を形成する真空蒸着法、イオンアシスト法などで形成される。

また、分光プリズム２、分光プリズム３及びリレープリズム４の入出射光路面以外の面には外光、乱反射などを防止するために黒色コーティングが施されている。特に、それぞれのプリズム壁面１５、１６、１７、１８には黒色コーティングを施すことが望ましい。

更に、Ｐ偏光波撮像素子１３とＰ偏光波射出面１１との間にはＰ偏光波を透過するＰ波偏光フィルタ１９が設けられている。このＰ波偏光フィルタ１９は、Ｐ偏光波以外を除去する補正用偏光フィルタとして機能する。同様に、Ｓ偏光波撮像素子１４とＳ偏光波射出面１２との間にはＳ偏光波を透過するＳ波偏光フィルタ２０が設けられている。このＳ波偏光フィルタ２０は、Ｓ偏光波以外を除去する補正用偏光フィルタとして機能する。これらのＰ又はＳ偏光波補正用フィルタは、Ｐ偏光波とＳ偏光波との相違を検知したり、厳密にＰ偏光波とＳ偏光波を取り出したりする場合は設けた方が良いが、それらの区別を厳密に行う必要が無い場合は選択的に設けてもよい。

偏光フィルタ６は、入射映像可視光を偏光波像として取り出すものである。好ましくは、略０度から略１８０度の間で回動可能で、回転角に応じた偏光波像を取り出すことができる。入射光に対しＰ偏光波及びＳ偏光波の中間偏光波をとらえられれば良く、例えば、４５度と１３５度はＰ波／Ｓ波を均等に合波した代表的な偏光波像である。ただし、照明光源の偏光状態や、照明角度、撮影角度によってプリズムモジュールに入射する光の偏光波成分は変化するため、用途によりＰ偏光波像やＳ偏光波像と比較したり、入射映像の基準（レファレンス）像として用いる場合などは、１８０度の回動範囲の中でより良い画像を選択可能とする。回動範囲を略０度から略１８０度とした理由は、０度と１８０度がＳ波に、９０度がＰ波に相当し、４５度近辺と１３５度近辺の中間偏光波の観察を容易に実施できるようにしたためである。４５度及び１３５度を逆転させた２２５度及び３１５度において偏光フィルタ６の透過特性の挙動は同一であり、またその他の位相が逆転している角度においても偏光フィルタ６の透過特性の挙動は同一であることから、略０度から略１８０度を回動範囲と決定した。この場合、４５度偏光フィルタと１３５度偏光フィルタを選択的に用いることでそれぞれのより良い方の画像を取り出すことも可能である。

このように、入射した映像可視光を分光プリズム２で反射させた可視光成分をリレープリズム４を介して偏光フィルタ６により偏光波像を取り出し撮像する撮像素子９と、分光プリズム２を透過した可視光像をさらにＰ偏光波像とＳ偏光波像に分離する分光プリズム３と、分光プリズム３より取り出したＰ偏光波像を撮影する撮像素子１３とＳ偏光波像を撮影する撮像素子１４とを一体化して構成することで３分光プリズムモジュール１を形成する。

この分光プリズムモジュール１の映像光入射側に、Ｃマウント、ＥＮＧ用Ｂ４マウントなどのレンズ交換マウント２１を設けることにより、工業用、放送用、医療用などの各種レンズ、各種顕微鏡又はカメラと組合せて使用することができる。また、このような３分光プリズムと撮像素子とを組合せモジュール構成とすることで小型、軽量が達成できて、どのようなレンズ、顕微鏡にも対応することができる。

図２には、本発明の実施例１に係る３分光プリズムモジュールを適用した一例として物体の表面検査装置３０の構成が示されている。図１における分光プリズムモジュールに相当する部分には同一の符号が付してある。この表面検査装置３０は、本発明に係る分光プリズムモジュール１が組み込まれて、主として物体表面のキズ、欠陥、濃度むら、異物などの有無やその程度などを観察するのに適している。

物体表面検査の例として半導体デバイスの製造過程で使用されるシリコンウェハ、マスクの欠陥検査がある。ウェハやマスクの欠陥検査についてはデバイスの微細化に伴い高い検査精度が要求され、かつ検査時間を短縮することが要求されている。半導体デバイス用ウェハやマスクの欠陥としては、表面のキズ、むらや異物、ごみなどの混入がある。

図３はウェハなどの検査対象物体４０のキズ、異物状態を示す説明図である。図３で示すような検査対象物に明視野照明又は暗視野照明で照射する。検査対象物４０は、基板４１上に表面部コーティング膜又は薄膜４２が施されており、この表面部分４２にキズなどの欠陥Ｘや異物Ｙが混入している状態を示している。検査対象物体４０の光学像はレンズ５０を介して表面検査装置に取り込まれる。

取り込まれた入射光像は、分光プリズムモジュール１の分光プリズム２により反射された任意の偏光方向を有する偏光波像が撮像素子９より取り出される。ここでは、偏光フィルタ６として４５度偏光波フィルタを使用した例として説明する。さらに、Ｐ偏光波像とＳ偏光波像が分光プリズム３により分離され、Ｐ偏光波像が撮像素子１３より、Ｓ偏光波像が撮像素子１４よりそれぞれ取り出される。

取り出された４５度偏光波像は４５度偏光波記憶処理部３１において映像信号として、記憶、処理され出力する。同様にＰ偏光波像はＰ偏光波記憶処理部３２，Ｓ偏光波はＳ偏光記憶処理部３３により映像信号として記憶、処理され出力する。それぞれ出力された４５度偏光波像、Ｐ偏光波像、及びＳ偏光波像の画像は画像表示モニター３４上に同時表示又は個別に順次表示され、各像を目視により比較、観察する。

図１及び図３で示す分光プリズム構成では４５度偏光波像及びＳ偏光波像が一度反射され像が反転している。そのため、４５度偏光像及びＳ偏光波像はそれぞれの記憶処理部において像反転されＰ偏光波像と一致するように電子的に処理されて用いる。それぞれの記憶処理部は、フレーム・フィールドメモリーなどの画像処理用の記憶媒体を併せ保持しており、画像の利用目的によりそれぞれの画像を回転させたり、白黒反転させたり、特定部分（欠陥、異常部分）を拡大・縮小して表示することは、この記憶処理部において可能である。

それぞれの撮像素子９、１３、１４からの出力は多値グレイレベル信号に変換してデジタル信号として取り出し、４５度偏光波デジタル信号は記憶処理部３１において、Ｐ偏光波デジタル信号は記憶処理部３２において、Ｓ偏光波デジタル信号は記憶処理部３３においてそれぞれ記憶、保持される。

４５度偏光波像のデジタル信号はＰ偏光波差分検出部３５及びＳ偏光波差分検出部３６へ送られ、Ｐ偏光波像のデジタル信号はＰ偏光波差分検出部３５、Ｓ偏光波差分検出部３６及びＰ／Ｓ偏光波差分検出部３７へ送られ、Ｓ偏光波像のデジタル信号はＰ偏光波差分検出部３５、Ｓ偏光波差分検出部３６及びＰ／Ｓ偏光波差分検出部３７へ送られる。

このような構成において、表面状態検査を行うには、ウェハなどの検査対象物４０の２ヶ所以上を連続して比較、観察する。キズなど欠陥Ｘや異物Ｙが無い状態で、連続する画面上ではいずれの偏光波像の画素毎に同じグレイレベル値が得られ、変化しないが、キズなどの欠陥Ｘ又は異物Ｙが生じている場合、反射光や散乱光の偏光状態が変化する。この変化をＰ偏光波差分検出部３５、Ｓ偏光波差分検出部３６により検出する。

Ｐ偏光波差分検出部３５では、Ｐ偏光波像の２ヶ所以上の画素を比較し、Ｓ偏光波差分検出部３６では、Ｐ偏光波像の２ヶ所以上の画素を比較し、変化を検出し、欠陥表示・画像表示部３８へ送出する。

このような表面検査では暗視野検査が望ましく、また光源としてＰ偏光やＳ偏光に限定した光を照射すると、表面欠陥Ｘから反射される場合は偏光を保持せず、照明の偏光から変わってしまい、様々な偏光成分となるためより明確に検査対象物の表面状態を観察することができる。Ｐ偏光波及びＳ偏光波は、検査対象物体４０の表面状態や反射状態、物質のフレネル係数などにより検知感度や検知状態が変化するため両方の偏光状態を観察し、Ｐ偏光波又はＳ偏光波のいずれかの表面状態の変化が検知されれば欠陥又は異物混入と判定する。

また、Ｐ偏光波記憶処理部３２とＳ偏光波記憶処理部３３からのデジタル信号は、Ｐ／Ｓ差分検出部３７へ送られ、Ｐ偏光波とＳ偏光波との差分を検出する。このＰ／Ｓ差分検出は、上述したＰ偏光波又はＳ偏光波同士の２ヶ所以上の比較とは異なり、Ｐ偏光とＳ偏光との偏光像の変化を把握するためより詳細な欠陥や異物検査に用いられる。微小ゴミや異物Ｙなどが内部に存在する場合、内部欠陥からの反射・散乱光は、偏光方向を保持するため、表面異物と内部欠陥とを区別して検出することができる。

前述のＰ偏光波、Ｓ偏光波の２ヶ所以上の比較を連続して行う場合、それぞれの複数箇所の状態変化を比較し検出する必要がある。しかし、４５度偏光波像と比較することで、２ヶ所以上の比較を行うこと無く、４５度偏光波像を参照信号として用いることができる。４５度偏光像成分は、Ｐ偏光波差分検出部３５及びＳ偏光波差分検出部３６でＰ偏光波成分及びＳ偏光波成分と差分を検出する。特に、４５度偏光波像は検査対象物の表面反射であるＳ偏光波と透過光であるＰ偏光波との両方を含むため表面下の微小異物などの検出を行うのに適している。

この様に検出された欠陥又は異常信号は、欠陥表示・画像表示部３８により表示され、その詳細画像を画像表示部３４において目視観察し、確認することができる。この表示画像や検出信号を記憶装置（図示せず）などにより欠陥データとして記録し、欠陥情報として品質管理を行うのに適用できる。なお、この表面検査装置の例において偏光フィルタ６は、４５度偏光フィルタとしているが、前述の通り回動により偏光方向が変更可能であるような偏光フィルタを用いて構成することで、種々の偏光方向の画像を取り出し、Ｐ／Ｓ画像との比較、観察、測定ができ、より多様で、詳細な検査が可能となる。

また、本発明を液晶パネルの画素毎の欠陥や均一性検査などにも効果的に応用することができる。液晶パネルの欠陥検査では、ドット欠け、黒異物、繊維状異物などの外観上のキズのほかＲＧＢ色温度検査、輝度経時変化、面輝度色ムラなど駆動状態での変化欠陥など多岐にわたる検査が必要となる。いずれも検査用映像信号パターンを用いてカメラ撮影を行い、スクリーンの映像状態を確認する検査が行われている。

ＴＮ液晶やＯＣＢ方式液晶などの製造過程において、ラビングによる液晶配向が正常でなく欠陥として現れる場合がある。この様な状態は、図４に示すように白状態から黒状態への液晶シャッターの配向むらであり、面輝度むら、色むらとなってスクリーン全体の均一性に欠けたものとなる。

これらのスクリーン均一性検査において、液晶スクリーンにＰ偏光波、Ｓ偏光波、４５度偏光波の特性を有する照明光を照射し、本発明の３分光プリズムモジュールを用いて暗視野検査を行う。本発明の３分光プリズムモジュールを用いて白黒、ＲＧＢカラーなどの多種検査パターン像を撮像し、Ｐ偏光波像、Ｓ偏光波像、４５度偏光波像を取得する。取得したそれぞれの偏光波像は、図２に示す表面検査装置の画像処理と同様な考え方により、画素毎に多値グレイレベルを取得し、時系列で比較したり、参照基準値と比較したりしてスクリーンの均一性の検査を行うことができる。

図５は、本発明の実施例２に係る３分光光学モジュールの概略構成図である。図１に於いて、分光プリズム２及びＰ／Ｓビームスプリッタ用分光プリズム３はキューブタイプの分光プリズムにより構成されているが、実施例２においては、ハーフミラープレート板を用いた実施例である。図１における分光プリズムモジュールに相当する部分には同一の符号が付してある。

レンズ５０により集光された撮像光は、ハーフミラープレート５１に入射する。ハーフミラー５１に入射した撮像光は０度から１８０度の間で回動可能で、予め４５度に設定された偏光フィルタ６を介して偏光波撮像素子９に入射する。ここで、偏光フィルタ６は、実施例１の偏光フィルタ６と同様、任意の偏光方向を有する偏光フィルタであり、回動により偏光方向を変更可能としても良いし、予め４５度または１３５度に設定されていても良い。

一方、ハーフミラープレート５１を透過した可視光成分は、偏光ハーフミラープレート５２に入射する。偏光プレート５２は、Ｓ偏光波成分を反射し、Ｐ偏光波成分を透過するＰ／Ｓ分離するビームスプリッタの役目を行う。偏光プレート５２は、映像光入射光軸に対し４５°に傾斜し固定されている。

偏光ハーフミラープレート５２により反射されたＳ偏光波像は偏光補正フィルタ２０を介してＳ偏光波像撮像素子１４に入射する。Ｓ偏光波像は撮像素子１４により映像信号として出力される。また、偏光プレート５２を透過したＰ偏光波像は偏光補正フィルタ１９を介してＰ偏光波像撮像素子１３に入射する。Ｐ偏光波像は撮像素子１３により映像信号として出力される。

図１に示すキューブタイプの分光プリズムモジュールにおいては、分光プリズム２における４５度偏光波像のための入射光の反射角度がプリズム内で４５度に固定され、さらに分光プリズム３のＳ偏光波像の反射角度も４５度に固定されているため、反射角度のアライメントは不要であるが、このハーフミラープレート板を使用する場合は、入射光軸に対しそれぞれの撮像素子に対し反射光を正対して入射させるよう４５度にアライメントする必要がある。

また、プレート板の厚さにより透過光の屈折が生じ透過光路が若干変り、光路長も変化するため、全体としての光学的、機械的アライメントが重要となる。そのため、キューブタイプ分光プリズムでなく偏光プレートにより構成するには、ハーフミラープレート５１、５２、偏光フィルタ６、３分光用補正フィルタ１９、２０及び撮像素子９、１３、１４をモジュール筐体（図示せず）で固定して構成する。

ハーフミラープレート板による分光モジュールはアライメントの難しさは生じるが、ハーフミラープレート板は、サイズバリエーションが豊富である。したがって、ハーフミラープレート板を使用したモジュール構成の方がモジュール全体の設計を柔軟に行うことができ、かつ軽量化、低価格が達成できるなどのメリットを有している。

本発明においては、３分光プリズム又はハーフミラープレートのモジュール構成として４５度偏光波像、Ｐ偏光波像及びＳ偏光波像を取り出して、比較、分析することで半導体ウェハなどの表面欠陥観察装置及び液晶パネルの均一性検査に適用する例を説明したが、本発明はこれに限らず、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせたりすることにより薄膜検査、偽造品検査、果実の表面検査、材料の品質検査、医療用病変検査、防犯監視カメラなどに広く応用することができ、産業上多大な有用性と利用可能性を有している。

１ 分光プリズムモジュール
２ 分光プリズム又はハーフミラー
３ Ｐ／Ｓ分光プリズム（偏光ビームスプリッタ）
４ リレープリズム
６ 任意の偏光方向を有する偏光フィルタ
７ プリズム２の入射面
８ プリズム４の射出面
９ 偏光波像撮像素子
１０ Ｐ／Ｓ偏光波分離層
１１ Ｐ波射出面
１２ Ｓ波射出面
１３ Ｐ波撮像素子
１４ Ｓ波撮像素子
１５、１６ プリズム４の壁面
１７ プリズム２の壁面
１８ プリズム３の壁面
１９ Ｐ波補正フィルタ
２０ Ｓ波補正フィルタ
２１ レンズ交換マウント
３０ 表面検査装置
３１ 偏光波画像記憶処理部
３２ Ｐ偏光波画像記憶処理部
３３ Ｓ偏光波画像記憶処理部
３４ 画像表示部
３５ Ｐ偏光波差分検出部
３６ Ｓ偏光波差分検出部
３７ Ｐ／Ｓ偏光波差分検出部
３８ 欠陥データ等表示部
５０ レンズ
５１ ハーフミラープレート
５２ Ｐ／Ｓ分光プレート（偏光ハーフミラープレート）
５３ ハーフミラーの反射面
５４ Ｐ／Ｓ分光プレートの反射面

Claims (4)

1. ３分光光学モジュールにおいて、第一の分光成分と第二の分光成分とを分離する第一の分光素子と、前記第一の分光素子から取り出した前記第一の分光成分を略０度から略１８０度の間で回動させて任意の偏光方向に偏光させる偏光フィルタと、前記偏光フィルタを介して得られた任意偏光方向偏光波像を撮影する第一の撮像素子と、前記第一の分光素子から取り出した第二の分光成分をＰ偏光波とＳ偏光波とに分離する第二の分光素子と、前記第二の分光素子により分離された前記Ｐ偏光波像を撮影する第二の撮像素子と、前記Ｓ偏光波像を撮影する第三の撮像素子とを一体化したことを特徴とする３分光光学モジュール。
2. 前記偏光フィルタは、前記第一の分光成分を所定の偏光方向で取得し得る目盛り又はクリックを備えていることを特徴とする請求項１記載の３分光光学モジュール。
3. 前記第一の分光素子はハーフミラーを構成するプリズムまたはプレート板で構成され、前記第二の分光素子はＰ偏光波とＳ偏光波とを分離するビームスプリッタプリズム又は偏光プレート板で構成されていることを特徴とする請求項１記載の３分光光学モジュール。
4. 請求項１乃至３に記載する３分光光学モジュールのいずれかを備え、前記任意偏光方向偏光波像、前記Ｐ偏光波像及び前記Ｓ偏光波像を同時に取得しうることを特徴とする光学機器。

Images