JPWO2010005013A1

JPWO2010005013A1 - 測定装置

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Publication number: JPWO2010005013A1
Application number: JP2010519793A
Authority: JP
Inventors: 仁宇佐美
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2029-07-08
Also published as: US20110096159A1; EP2309223A4; JP5424064B2; EP2309223A1; WO2010005013A1

Abstract

本発明は、視認性を保ちつつ、被検物の形状測定を高精度化させる測定装置に関する。照明装置（１２）は、赤色光を発するＬＥＤ（５１）、緑色光を発するＬＥＤ（５２）、青色光を発するＬＥＤ（５３）を備えている。各ＬＥＤ（５１、５２、５３）から発せられた光は、被検物（２）に同時に照射され、白色光が照明されたと人が知覚する観察光となる。測定用光源（３１）は、被検物（２）の形状測定に用いられ、各ＬＥＤ（５１、５２、５３）から発せられた光の波長と異なる波長の可視光で構成されたレーザ光を発する。被検物（２）で反射した光のうち、測定用光源（３１）から発せられた光のみが光学フィルタ（３９）を透過し、撮像素子（４１）の受光面で結像する。

Description

本発明は、測定装置に関し、特に、測定光を用いて被検物の測定を行う測定装置に関する。

従来、被検物の合焦位置や形状などを測定する光学測定装置において、被検物を目で観察するための観察光とは別に、レーザ光などの測定光を用いて測定を行うものがある。また、測定光を用いて測定を行う光学測定装置の中には、観察光の影響を除去するために、測定光を点灯したときに受光素子により検出された信号と、測定光を消灯したときに受光素子により検出された信号との差分をとった信号を用いて測定を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２６４９２８号公報

しかし、特許文献１に記載の発明の場合、測定光に比べて観察光が明るすぎると、受光素子の飽和やS/N比の低下が発生し、測定精度が低下してしまう恐れがあった。

一方、それを避けるために、被検物の測定を行うときに観察光を消灯するようにした場合、暗すぎて測定中に被検物を観察するのが困難になる。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、被検物の視認性を低下させずに、測定光を用いた被検物の測定精度を向上させるようにするものである。

本発明の一側面の測定装置は、被検物に照らされた測定光を受光センサにより検出して前記被検物の測定を行う測定装置であって、波長成分が異なる光をそれぞれ発し、それぞれの光を前記被検物に照射することにより、白色光が前記被検物に照明されたとして知覚されるとともに、前記波長が異なる光の分光発光特性を総合して得られる総合分光スペクトルにおいて、可視波長域で光の強度が所定の閾値以下となる波長である弱波長域が存在する前記観察光を生成する複数の観察光源と、前記弱波長域に含まれる波長の単色光である前記測定光を発する測定光源とを備える。

本発明の一側面においては、複数の観察光源から発せられる波長成分がそれぞれ異なる光が合成され、白色光として知覚されるとともに、可視波長域で光の強度が所定の閾値以下となる波長である弱波長域が存在する観察光が生成され、測定光源から弱波長域に含まれる波長の単色光である測定光が発せられる。

本発明によれば、被検物の視認性を低下させずに、測定光を用いた被検物の測定精度を向上させることができる。

本発明を適用した測定装置の一実施の形態を示すブロック図である。図１の測定装置の光の動きを説明するための図である。等色関数のグラフである。波長が異なる２種類の測定光を用いる光学装置の実施の形態を示す図である。青、緑および赤のLEDで観察用照明装置を構成したときのそれぞれのLEDの発光スペクトルと、測定光の発光スペクトルの選択例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について説明する。

図１は、本発明を適用した測定装置の一実施の形態を示す図である。図１の測定装置１は、合焦点法によりステージ１３上に設置された被検物２の形状を測定する光学測定装置である。

測定装置１には、観察照明装置１２と測定部１１の測定光源３１の２種類の照明装置が設けられている。

観察照明装置１２は、被検物２を目で観察するための観察光を被検物２に照射するための照明装置である。観察照明装置１２は、所定の中心波長（例えば、613nm）の赤の単色光を発するLED（Light Emitting Diode）５１、所定の中心波長（例えば、520nm）の緑の単色光を発するLED５２、および、所定の中心波長（例えば、470nm）の青の単色光を発するLED５３の３種類の光源を備えている。LED５１乃至５３から発せられる赤、緑、青の３種類の光は、同時又は短時間の間に同一対象物に照射することにより人に白色光が照明されたとして知覚される観察光となり、被検物２を照らす。そして、図２に示されるように、ユーザ７１は、観察光により照らされた被検物２を目で観察する。なお、以下、観察光を生成するために合成される個々の光のことを要素光と称する。

一方、測定光源３１は、被検物２の形状の測定に用いる測定光を発する光源である。測定光源３１は、LED５１とは異なる波長（例えば、630nm）の近赤外の単色のレーザ光を発する光源により構成される。

測定光源３１から射出された測定光は、コンデンサレンズ３２を介して、適切な焦点深度を与える瞳絞り３３に入射する。瞳絞り３３を通過した測定光は、リレーレンズ３４により集光され、被検物２上に設定された焦点面Ｓと共役な関係位置に配置された、液晶素子３５に入射する。

液晶素子３５は、被検物２上に所定のパターンを投影するために設けられる。液晶素子３５を通過して、パターン光となった測定光は、リレーレンズ３６により平行光束となり、照明用対物レンズ３７に入射する。照明用対物レンズ３７は、液晶素子３５からの光を所定の焦点面Ｓに集光して、所定のパターン像を被検物２に投影する。すなわち、液晶素子３５を経てパターンが投影できるようになった測定光は、リレーレンズ３６、および照明用対物レンズ３７によって、被検物２の焦点面Ｓにパターン像を結ぶ。

そして、被検物２に投影されたパターン像を撮像素子４１に結像するために、被検物２の表面において反射又は錯乱された光を、結像用対物レンズ３８で集光する。なお、被検物２から結像用対物レンズ３８によって集光される光には、観察照明装置１２により被検物２に照射された観察光の反射・錯乱光も含まれる。従って、結像用対物レンズ３８により集光された観察光およびパターン光（測定光）が、光学フィルタ３９に入射する。

光学フィルタ３９は、測定光の分光スペクトルに応じて所定の波長の光を透過し、観察照明装置１２から発光された波長域の光を遮断するフィルタである。従って、図２に示されるように、被検物２から光学フィルタ３９に入射される光の撮像素子４１が感度を有する波長域の光のうち、観察照明装置１２で発光した波長域の光が反射され、測定光によるパターン光のみが撮像素子４１に到達するようになっている。そして、光学フィルタ３９から結像レンズ４０（図２においては図示せず）に入射したパターン光は、撮像素子４１に入射する。なお、この撮像素子４１は、CCD（Charge Coupled Device）を具備するセンサであり、撮像素子４１の受光面で結像した像を撮像する。

コントローラ１４は、結像用対物レンズ３８の光軸方向におけるステージ１３の位置を変化させながら、各測定位置において撮像素子４１によりパターンが投影された被検物２の画像（以下、観察画像と称する）を取得する。コントローラ１４は、例えば、パターンの像から三角法に基づいて、パターンが投影された被検物２のそれぞれの位置を算出し、被検物２の形状を測定する。コントローラ１４は、測定した被検物２の形状を示すデータを外部に出力する。

このように、測定装置１においては、被検物２に観察光を照射したままでも、撮像素子４１には測定光によるパターン光のみが入射される。従って、撮像素子４１のダイナミックレンジを最大限に利用することができ、S/N比も良好となり、被検物２の形状の測定精度を向上させることができる。また、測定中も被検物２に観察光が連続して照射されるので、被検物２の視認性が低下せず、被検物２を詳細に観察することができる。さらに、観察光は、白色光として知覚される光であるため、ユーザの目に優しく、作業性が良好に保たれる。

なお、以上の説明では、赤、緑、青の要素光を合成することにより観察光を生成する例を示したが、例えば、青と黄色など、その他の色の要素光の組み合わせにより、白色光として知覚される観察光を生成するようにしてもよい。

また、要素光は、必ずしも単色光である必要はない。具体的には、要素光を同一対象物に照明することにより、測定光の波長（＝光学フィルタ３９の透過波長）において光の強度が所定の閾値以下となり、かつ白色光として知覚される観察光になるように、各要素光の波長成分を設定すればよい。逆に言えば、測定光の波長は、観察光の強度が所定の閾値以下となる波長の中から選択するようにすればよい。

なお、この閾値は、例えば、撮像素子４１の性能や、測定装置１に要求される測定精度などにより決定される。また、光学フィルタ３９の性能等を鑑みると、測定光の波長の近傍の波長においても、観察光の強度が閾値を下回るように設定することが望ましい。

また、測定光の波長は、人の分光感度が弱い波長に設定するのがより望ましい。これは、人の分光感度が弱い波長成分が観察光から除去されても、ほとんど人の目には影響を与えず、白色光が照明されていると感じやすい一方、測定光の波長域への観察光源によるクロストークが少なく、測定に更に影響を与えにくくなるためである。

図３は、人の目に関する分光感度を表す等色関数のグラフである。線９１乃至９３は、人の目にあると考えられている受光感度の異なる３種類の色受容器（色センサ）の、各波長の光に対する受光感度（刺激値）の絶対値を示している。この等色関数のグラフから、測定光の波長は、人が光を知覚できる可視波長域（例えば、380nm〜780nm）において、例えば、410nm以下、青のLEDと緑のLEDの発光領域の境界近傍の波長域、緑のLEDと青のLEDの発光領域の境界近傍の波長域、または、660nm以上の波長に設定するのが最も適切であると考えられる。

その一例として、図５に青のLEDの発光スペクトル、緑のLEDの発光スペクトル、赤のLEDの発光スペクトルを図示した。この図５に示す３色のLEDを観察照明装置１２の光源に選択した場合には、ハッチングを施した領域が測定光の波長域として望ましい。具体的には、570nm〜585nmの波長域や、660nm以上の波長域に測定光の波長域を設定するのが好ましい。

なお、測定光の波長は、可視波長域以外の赤外域または紫外域に設定してもよいが、可視波長域に設定し、ユーザが見ることができるようにすることにより、ユーザが測定位置を目で実際に確認することができるようになる。

また、撮像素子４１の代わりに、測定光の波長域のみを感知する受光センサを用いることにより、光学フィルタ３９を省略することも可能である。

さらに、以上の説明では、ユーザが直接目で被検物２を観察する用途で観察光を用いる例を示したが、被検物２を撮影して観察するための用途など、観察光をその他の用途に使用することも可能である。

また、本発明は、観察光と測定光を用いるとともに、測定光を受光センサにより検出する他の光学装置に適用することが可能である。例えば、本発明は、測定光を用いて被検物２の形状以外の他の要素（例えば、焦点距離など）を測定する測定装置に適用したり、観察用の照明とオートフォーカス用の測定光源を備える顕微鏡に適用したりすることが可能である。

また、本発明は、測定光を被検物に反射させて用いる光学装置だけでなく、測定光を被検物を透過させて用いる光学装置にも適用することが可能である。

さらに、本発明の実施の形態において、観察光、測定光、および、受光センサに入射する入射光の光軸の関係は特に限定されるものではない。例えば、観察光と測定光を受光センサとほぼ同じ位置から被検物に向けて射出し、被検物からの反射光を、光学フィルタを介して受光センサに入射させるようにしてもよい。

また、本発明の実施の形態において、観察光源、測定光源、および、受光センサを必ずしもそれぞれ別個に設ける必要はなく、必要に応じて、観察光源、測定光源、および、受光センサのうちの２つ以上を共通の装置や光学系に組み込むようにしてもよい。

次に、図４を参照して、波長が異なる２種類の測定光を用いる光学装置１０１に本発明を適用する場合について説明する。

図４の光学装置１０１の観察照明装置１１１は、観察光を被検物１０２に照射するための照明である。観察照明装置１１１は、所定の中心波長（例えば、613nm）の赤の単色光を発するLED１３１、所定の中心波長（例えば、525nm）の緑の単色光を発するLED１３２、所定の中心波長（例えば、470nm）の青の単色光を発するLED１３３、および、LED１３１の発光中心波長の近傍に中心波長を持つ異なる中心波長（例えば、630nm）の赤の単色光を発するLED１３４が設けられている。

測定部１１２および測定部１１３は、測定光を用いて、例えば、被検物１０２の形状または焦点距離などの測定を行う。

具体的には、測定部１１２は、LED１３４と同じ中心波長の赤の単色のレーザ光を測定光として発する測定光源１４１、測定光源１４１から発する光と同じ波長の光のみを透過し、その他の波長の光を遮断する光学フィルタ１４２、および、光学フィルタ１４２を透過した測定光を検出する受光センサ１４３を含むように構成される。

また、測定部１１３は、LED１３１と同じ中心波長の赤の単色のレーザ光を測定光として発する測定光源１５１、測定光源１５１から発する光と同じ波長の光のみを透過し、その他の波長の光を遮断する光学フィルタ１５２、および、光学フィルタ１５２を透過した測定光を検出する受光センサ１５３を含むように構成される。

測定部１１２が被検物１０２の測定を行う場合、観察照明装置１１１は、LED１３１乃至１３３を点灯し、測定光源１４１と同じ波長の光を発するLED１３４を消灯する。これにより、LED１３４が発する要素光を用いずに、LED１３１乃至１３３が発する赤、緑、青の３種類の要素光を用いて、人にとって白色光として知覚される観察光が生成され、被検物１０２に照射される。このような発光状態では、観察光の総合分光スペクトルは、測定光源１４１から発する光の中心波長域において少なく光量を示している。また、測定光源１４１から発せられる測定光が被検物１０２に照射される。

そして、被検物１０２により反射され、光学フィルタ１４２に入射する反射光のうち、測定光源１４１からの測定光のみが光学フィルタ１４２を透過し、観察照明装置１１１からの観察光は遮断される。これにより、測定光源１４１からの測定光のみが受光センサ１４３に入射し検出される。

一方、測定部１１３が被検物１０２の測定を行う場合、観察照明装置１１１は、LED１３２乃至１３４を点灯し、測定光源１５１と同じ波長の光を発するLED１３１を消灯する。これにより、LED１３１が発する要素光を用いずに、LED１３２乃至１３４が発する緑、青、赤の３種類の要素光を用いて、人にとって白色光として知覚される観察光が生成され、被検物１０２に照射される。このような発光状態では、観察光の総合分光スペクトルは、測定光源１５１から発する光の中心波長域において少なく光量を示している。また、測定光源１５１から発せられる測定光が被検物１０２に照射される。

そして、被検物１０２により反射され、光学フィルタ１５２に入射する反射光のうち、測定光源１５１からの測定光のみが光学フィルタ１５２を透過し、観察照明装置１１１からの観察光は遮断される。これにより、測定光源１５１からの測定光のみが受光センサ１５３に入射し検出される。

以上のようにして、受光センサ１４３および受光センサ１５３のダイナミックレンジを最大限に利用することができ、S/N比も良好となり、２種類の異なる波長の測定光を用いて、より正確に被検物１０２の測定を行うことができる。また、LED１３１とLED１３４の波長が近いため、測定部１１２により測定する場合と測定部１１３により測定する場合とで観察光が切り替わったことを、ユーザ１０３に感じさせないようにすることができる。

なお、光学装置１０１において測定光の波長の種類をさらに増やす場合、例えば、測定光源１４１および測定光源１５１の両方の波長と異なる波長の赤の単色のレーザ光を発する光源を追加する。そして、追加した光源を用いて測定する場合には、LED１３１乃至１３３、または、LED１３２乃至１３４のいずれかの組み合わせで観察光を生成するようにすればよい。

なお、図４に示した方法は、コストを抑制するなどの目的で、使用できる要素光および測定光の色（波長）が、入手しやすい色に限定される場合に有効である。特に、測定光の波長を限定しなくてもよい場合には、観察光の強度が所定の閾値以下となる波長の中から複数の波長を測定光の波長として選択するようにすればよい。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、観察照明装置１２に用いられる光源の種類としては、LEDだけに限られず、それぞれ発光波長域の異なるレーザ光でもって、擬似的に白色光を形成するものでもよい。そして、観察照明装置１２の総合スペクトルを基に、発光量が少ない波長域を測定光の波長域として設定すればよい。

１測定装置，１１測定部，１２観察照明装置，３１測定光源，３９光学フィルタ，４１撮像素子，５１乃至５３ LED，１１１観察照明装置，１１２測定部，１１３測定部，１３１乃至１３４ LED，１４１測定光源，１４２光学フィルタ，１４３受光センサ，１５１測定光源，１５２光学フィルタ，１５３受光センサ

本発明の第１の側面の測定装置は、被検物に照射された測定光を受光センサにより検出して前記被検物の測定を行う測定装置であって、各々が異なる中心波長を有する光を発し、前記被検物に照明するように構成された複数の発光波長域を有する観察光源と、前記観察光源から発せられた観察光の強度が所定値よりも低い波長域に中心波長を有する発光波長域を持ち、前記測定光を発光する測定光源とを備える。
本発明の第２の側面の測定装置は、被検物に照射された測定光を受光センサにより検出して前記被検物の測定を行う測定装置であって、所定の第１の中心波長を有する赤の光と、前記第１の中心波長と異なる第２の中心波長を有する緑の光と、前記第１の中心波長及び前記第２の中心波長と異なる第３の中心波長を有する青の光の発光波長域を有する観察光源と、前記観察光源から発せられた観察光の強度が所定値よりも低い波長域に中心波長を有する発光波長を持ち、前記測定光を発光する測定光源とを備える。

本発明の第１の側面においては、各々が異なる中心波長を有する光が観察光源から発せられ、観察光源から発せられた観察光の強度が所定値よりも低い波長域に中心波長を有する発光波長域を持つ測定光が測定光源から発せられる。
本発明の第２の側面においては、所定の第１の中心波長を有する赤の光と、第１の中心波長と異なる第２の中心波長を有する緑の光と、第１の中心波長及び第２の中心波長と異なる第３の中心波長を有する青の光の発光波長域を有する観察光が観察光源から発せられ、観察光の強度が所定値よりも低い波長域に中心波長を有する測定光が測定光源から発せられる。

Claims

被検物に照らされた測定光を受光センサにより検出して前記被検物の測定を行う測定装置において、
波長成分が異なる光をそれぞれ発し、それぞれの光を前記被検物に照射することにより、白色光が前記被検物に照明されたとして知覚されるとともに、前記波長成分が異なる光の分光発光特性を総合して得られる総合分光スペクトルにおいて、可視波長域で光の強度が所定の閾値以下となる波長である弱波長域が存在する前記観察光を生成する複数の観察光源と、
前記弱波長域に含まれる波長の単色光である前記測定光を発する測定光源と
を備えることを特徴とする測定装置。
前記被検物と前記受光センサとの間に設けられ、前記観察光と同じ波長域の光を阻止し、前記測定光と同じ波長の光を通過して前記受光センサに入射させる光学フィルタを
さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
第１の波長域の単色光を発する前記観察光源である第１の観察光源と、
前記第１の波長域の近傍の前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の単色光を発する第２の観察光源と、
前記第１の波長域に中心波長を持ち、前記測定光である第１の測定光を発する前記測定光源である第１の測定光源と、
前記第２の波長域に中心波長を持ち、前記測定光である第２の測定光を発する前記測定光源である第２の測定光源と
を備え、
前記第１の測定光を使用する場合、前記第１の単色光を用いずに前記第２の単色光を用いて前記観察光を生成し、前記第２の測定光を使用する場合、前記第２の単色光を用いずに前記第１の単色光を用いて前記観察光を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。