KR20180103674A - 공초점 계측 장치 - Google Patents

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Abstract

컴팩트한 장치 구성으로 측정 범위를 확대할 수 있는 공초점 계측 장치를 실현한다.
공초점 계측 장치(1A)는, 백색 LED 광원(21)으로부터 출사된 광에 색수차를 발생시키는 회절 렌즈(11)와, 회절 렌즈(11)를 통과한 광의 색수차를 증가시키는 회절 렌즈(13b)와, 집광된 광이 광축을 따른 색수차를 가지도록 계측 대상 범위에 집광하는 대물 렌즈(12)를 구비하는 구성이다.

Description

공초점 계측 장치{CONFOCAL MEASURING DEVICE}
본 발명은, 공초점 광학계를 이용한 공초점 계측 장치에 관한 것이다.
비접촉으로 계측 대상물의 변위를 측정하는 계측 장치가 종래 기술로서 알려져 있다. 그 중에서도 공초점 광학계를 이용하여 변위를 측정하는 계측 장치에 대해 다양한 기술이 개시되어 있다. 예를 들어 특허문헌 1에는, 대물 렌즈와 회절 렌즈를 조합함으로써, 광의 파장에 의한, 계측 대상물의 변위를 계측하는 정밀도 변동을 억제하는 공초점 계측 장치가 개시되어 있다.
특허문헌 2에는, 넓은 계측 대상 범위를 실현하기 위해 복수의 축방향 분산 포커싱 요소를 구비하는 크로매틱 공초점 포인트 센서 광학 펜이 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2012-208102호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2012-173294호 공보
그런데, 공초점 계측 장치에서는 넓은 계측 대상 범위를 얻는 것이 바람직하다.
예를 들어, 특허문헌 1의 기술에 있어서 계측 대상 범위를 확대하기 위해 대물 렌즈의 초점 거리를 크게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 단순히 대물 렌즈의 초점 거리를 크게 하면 측정 중심 거리가 변화함과 아울러 성능이 크게 변화한다.
또한, 특허문헌 2의 기술에서는, 복수의 축방향 분산 포커싱 요소 사이의 영역에서 광을 포커싱하기 때문에, 복수의 축방향 분산 포커싱 요소 사이의 거리가 커진다. 그 때문에, 크로매틱 공초점 포인트 센서 광학 펜의 크기가 커진다.
본 발명의 일 태양은, 컴팩트한 장치 구성으로 계측 대상 범위를 확대할 수 있는 공초점 계측 장치를 실현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양에 관한 공초점 계측 장치는, 공초점 광학계를 이용한 공초점 계측 장치로서, 복수 파장의 광을 출사하는 광원과, 상기 광원으로부터 출사된 광에 색수차를 발생시키는 제1 회절 렌즈와, 상기 제1 회절 렌즈를 통과한 광의 색수차를 증가시키는 제2 회절 렌즈와, 집광된 광이 광축을 따른 색수차를 가지도록, 상기 제2 회절 렌즈를 통과한 광을 상기 광축을 따른 계측 대상 범위에 집광하는 대물 렌즈와, 상기 대물 렌즈에 의해 집광된 광 중에서, 계측 대상물 상에 포커싱한 파장의 광의 강도를 측정하는 측정부를 구비하는 구성이다.
상기의 구성에 의하면, 제1 회절 렌즈에 의해 광에 발생한 색수차를 제2 회절 렌즈에 의해 더욱 증가시킨다. 대물 렌즈에 의해 집광된 광은, 광축을 따른 큰 색수차를 가진다. 그 때문에, 파장에 따라 포커싱되는 위치를 크게 다르게 할 수 있기 때문에, 계측 대상 범위를 크게 할 수 있다. 또한, 제2 회절 렌즈를 이용하기 때문에, 장치 크기의 증가를 억제할 수 있다.
상기 공초점 계측 장치에서는, 상기 대물 렌즈에 입사하는 광은 콜리메이트되어 있어, 상기 대물 렌즈에 입사하는 광의 유효직경이 변하지 않는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
상기의 구성에 의하면, 대물 렌즈의 개구수는 거의 변화하지 않는다. 이 때문에, 측정 중심 거리가 변화하는 일은 없고 측정 중심 거리의 성능이 변화하는 일도 없다.
상기 공초점 계측 장치는, 상기 대물 렌즈보다 상기 광원 측에, 광을 발산시키는 제1 발산 광학부를 구비하는 구성으로 해도 된다.
대물 렌즈보다 광원 측에 제2 회절 렌즈를 추가하면, 여분의 굴절력이 가해져 대물 렌즈의 개구수(NA)가 변화한다. 대물 렌즈의 개구수는 계측의 성능에 영향을 준다. 상기의 구성에 의하면, 제2 회절 렌즈의 전 또는 후에 제2 회절 렌즈에서 발생하는 광의 집속의 적어도 일부를 제1 발산 광학부에 의해 캔슬할 수 있다. 그 때문에, 대물 렌즈의 개구수를 크게 할 수 있다.
상기 공초점 계측 장치에서는, 상기 제1 발산 광학부는, 적어도 하나의 오목 렌즈를 갖는 구성으로 해도 된다.
상기 공초점 계측 장치는, 발산계의 초점 거리를 음값으로 표현한 경우, 상기 제2 회절 렌즈의 초점 거리를 f1로 하고, 상기 제1 발산 광학부의 초점 거리를 f2로 하며, 상기 제2 회절 렌즈와 상기 제1 발산 광학부 사이의 거리를 d로 하면, f1+f2=d를 만족하는 것이 바람직하다.
상기의 구성에 의하면, 합성 초점 거리의 공식으로부터 제1 회절 렌즈 후의 광이 콜리메이트되어 있는 경우, f1+f2=d를 만족할 때 대물 렌즈에 입사하는 광도 콜리메이트가 된다.
또한, 제2 회절 렌즈의 전 또는 후에 제2 회절 렌즈에서 발생하는 광의 집속을 제1 발산 광학부에 의해 캔슬할 수 있다. 그 때문에, 측정 중심 거리를 바꾸지 않고 제2 회절 렌즈를 추가하여 측정 범위를 확대할 수 있다.
상기 공초점 계측 장치에서는, 상기 제1 발산 광학부는 상기 제1 회절 렌즈와 상기 제2 회절 렌즈의 사이에 배치되어 있고, 상기 제2 회절 렌즈와 상기 대물 렌즈의 사이에서 광은 콜리메이트되어 있는 구성으로 해도 된다.
상기의 구성에 의하면, 제1 발산 광학부에 의해 광을 발산시킴으로써, 제2 회절 렌즈의 초점 위치로부터 제2 회절 렌즈에 광이 입사하는 것과 같이 광학계를 구성할 수 있다. 이에 의해, 측정 중심 거리를 바꾸지 않고 효율적으로 색수차를 발생시킬 수 있다.
상기 공초점 계측 장치는, 상기 제1 회절 렌즈의 초점 거리와 상기 제2 회절 렌즈의 초점 거리는 동일한 구성으로 해도 된다.
상기의 구성에 의하면, 예를 들어 제1 회절 렌즈 및 제2 회절 렌즈로서 동일한 설계의 회절 렌즈를 이용할 수 있다. 그 때문에, 공초점 계측 장치의 제조가 용이해진다.
상기 공초점 계측 장치에서는, 상기 제1 회절 렌즈의 초점 거리와 상기 제2 회절 렌즈의 초점 거리는 다른 구성으로 해도 된다.
상기 공초점 계측 장치는, 상기 제1 회절 렌즈와 상기 대물 렌즈의 사이에, 광의 색수차를 증가시키는 제3 회절 렌즈와, 광을 발산시키는 제2 발산 광학부를 구비하는 구성으로 해도 된다.
상기의 구성에 의하면, 회절 렌즈와 발산 광학부의 세트 수를 늘림으로써 더욱 색수차를 증가시킬 수 있다. 그 때문에, 계측 대상 범위를 크게 할 수 있다.
본 발명의 일 태양에 의하면, 컴팩트한 장치 구성으로 측정 범위를 확대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에서의 공초점 계측 장치를 나타내는 것으로, 공초점 계측 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는, 상기 공초점 계측 장치에서의 컨트롤러의 내부 구성을 나타내는 모식도이다.
도 3의 (a)는 상기 공초점 계측 장치에서의 색수차 중첩 발생부를 포함한 센서 헤드의 구성을 나타내는 단면도이고, (b)는 상기 색수차 중첩 발생부를 제외한 센서 헤드의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4의 (a)는 상기 공초점 계측 장치에서의 센서 헤드의 광로를 나타내는 도면이고, (b)는 계측 대상물 부근에서의 복수 파장의 포커싱 위치를 나타내는 도면이다.
도 5의 (a)는 상기 공초점 계측 장치에서의 센서 헤드의 회절 렌즈를 통과하는 광로를 나타내는 도면이고, (b)는 상기 센서 헤드의 회절 렌즈 및 오목 렌즈를 통과하는 광로를 나타내는 도면이며, (c)는 상기 센서 헤드의 회절 렌즈 및 색수차 중첩 발생부를 통과하는 광로를 나타내는 도면이다.
도 6은, 상기 공초점 계측 장치의 센서 헤드로부터 색수차 중첩 발생부를 제거한 구성을 나타내는 참고도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에서의 공초점 계측 장치를 나타내는 것으로, 공초점 계측 장치에서의 센서 헤드의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시형태에서의 공초점 계측 장치를 나타내는 것으로, 공초점 계측 장치에서의 센서 헤드의 구성을 나타내는 단면도이다.
〔실시형태 1〕
공초점 계측 장치의 계측 대상 범위를 확대하기 위해서는, 광축을 따른 색수차를 크게 할 필요가 있다. 단, 계측의 정밀도(분해능)는 대물 렌즈의 개구수(NA: numerical aperture)에 의존한다. 그 때문에, 대물 렌즈의 초점 거리를 크게 하면 계측 대상 범위는 확대되지만 계측의 정밀도는 저하된다. 한편, 회절 렌즈의 개구수를 크게 함으로써 색수차를 크게 할 수 있다. 그러나, 회절 렌즈의 개구수를 크게 하기 위해서는 회절 홈의 피치를 작게 할 필요가 있다. 회절 홈의 피치를 작게 하려면 제조 한계가 있고, 그 때문에 회절 렌즈의 개구수에는 한계가 있다.
본 발명의 일 실시형태에 대해 도 1~도 6에 기초하여 설명하면 이하와 같다.
(공초점 계측 장치의 기본 구성)
본 실시형태의 공초점 계측 장치는, 공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물까지의 거리를 비접촉으로 계측하는 것이다. 본 실시형태의 공초점 계측 장치로 계측하는 계측 대상물에는, 예를 들어 액정 표시 패널의 셀 갭 등이 있다. 여기서, 공초점 광학계에서는, 대물 렌즈의 초점 위치와 공역인 위치(상위치)에 개구의 효과를 갖는 핀홀을 배치함으로써, 초점이 맞는 광만을 검출하는 것이 가능해진다. 또한, 공초점 광학계에서는, 점 광원으로부터 출사한 광은 대물 렌즈에 의해 계측 대상물 상에 광축 방향으로 색수차를 가진 상태로 집광된다. 계측 대상물의 표면에 집광하여 반사된 광은 동일한 광로를 되돌아가 핀홀 상에 집광된다. 공초점 광학계에서는, 초점 이외로부터의 반사광은 대부분 핀홀에서 커트되고 초점 위치만의 정보가 얻어진다. 이상에 의해, 공초점 광학계에서는 광축 방향으로 분해능을 가지게 되고, 이에 의해 광축 방향의 계측이 가능해진다.
도 1은, 본 실시형태에서의 공초점 계측 장치(1A)의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 2는, 공초점 계측 장치(1A)에서의 컨트롤러(20)의 내부 구성을 나타내는 모식도이다. 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1A)의 구성에 대해 도 1 및 도 2에 기초하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1A)는, 공초점의 광학계를 갖는 센서 헤드(10A)와, 광섬유 케이블(2)을 통해 광학적으로 접속된 컨트롤러(20)를 구비하고 있다.
센서 헤드(10A)는, 회절 렌즈(11)(제1 회절 렌즈), 색수차 중첩 발생부(13) 및 대물 렌즈(12)를 이 순서로 구비하고 있다.
회절 렌즈(11)는, 복수 파장의 광을 출사하는 광원으로서의 백색 LED 광원(21)(후술)으로부터 출사되고, 또한 광섬유 케이블(2)을 통해 센서 헤드(10A)에 입사된 백색광에 대해 광축 방향에 따른 색수차를 발생시키는 광학 소자이다.
상기 회절 렌즈(11)는, 유리 또는 수지 등의 단일 재료 기판에 광축 방향을 따라 색수차를 발생시키는 패턴을 형성한 구성을 가진다. 구체적으로, 회절 렌즈(11)의 렌즈 표면에는, 예를 들어 파면 형상 혹은 계단 형상 등의 미세한 기복 형상이 주기적으로 형성되어 있거나, 광의 투과율을 주기적으로 변경하는 진폭형 존 플레이트가 형성되어 있다. 또, 회절 렌즈(11)는 단일 재료 기판에 색수차를 발생시키는 패턴을 형성한 구성으로 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 복수의 재료로 구성하는 것도 가능하다. 구체적으로는 유리 기판과, 이 유리 기판의 한쪽 면에 형성되고 광축 방향을 따라 색수차를 발생시키는 패턴의 수지층을 갖는 것이어도 된다. 이 경우, 예를 들어 수지층은, 유리 기판에 자외선 경화 수지를 도포하고, 원하는 패턴의 형(型)을 자외선 경화 수지의 도포면에 눌러 붙이고 자외선을 조사하여 자외선 경화 수지를 경화함으로써 형성할 수 있다.
유리만으로 구성한 회절 렌즈(11)는, 딱딱한 유리를 가공함으로써 광축 방향을 따라 색수차를 발생시키는 패턴을 형성하므로, 제조 비용이 고가가 된다. 그러나, 유리 기판과 수지층으로 구성하는 회절 렌즈(11)는, 원하는 패턴의 형으로 수지층을 가공함으로써 광축 방향을 따라 색수차를 발생시키는 패턴을 형성한다. 이 때문에, 제조 비용이 저가가 된다.
또, 수지만으로 구성한 회절 렌즈(11)는 환경 온도에 따른 형상의 변화가 크고 온도 특성이 나쁘다. 그러나, 전술한 유리 기판과 수지층으로 구성하는 회절 렌즈(11)는, 환경 온도에 따른 형상의 변화가 작은 유리 기판이 구성의 대부분을 차지한다. 이 때문에, 온도 특성이 좋다.
색수차 중첩 발생부(13)는, 회절 렌즈(11)에서 발생시킨 축상 색수차에 대해 겹쳐 축상 색수차를 발생시키는 것이다. 색수차 중첩 발생부(13)에 대해서는 나중에 상술한다.
대물 렌즈(12)는, 회절 렌즈(11) 및 색수차 중첩 발생부(13)에서 색수차를 발생시킨 광을 계측 대상 범위에 집광하는 광학 소자이다. 집광된 광은 광축을 따른 색수차를 가진다. 계측 대상 범위는, 공초점 계측 장치(1A)에 의해 계측 가능한 광축 방향의 위치 범위이다. 계측 대상 범위에 계측 대상물(M)이 배치된다. 본 실시형태의 대물 렌즈(12)는, 일반적인 광학 렌즈를 이용하고 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하지 않고, 예를 들어 굴절률이 다른 2종류의 유리재로 만들어진 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 근접 또는 접착한 아크로매틱 렌즈를 이용해도 된다.
광섬유 케이블(2)은, 후술하는 컨트롤러(20)의 내부에 마련된 백색 LED 광원(21)으로부터 출사하는 광을 센서 헤드(10A)에 도입하는 것이다. 광섬유 케이블(2)로부터 출사하는 광을 회절 렌즈(11)에서 유효하게 이용하려면, 광섬유 케이블(2)의 개구수와 회절 렌즈(11)의 개구수를 일치시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1A)에서는, 광섬유 케이블(2)은 컨트롤러(20)로부터 센서 헤드(10A)까지의 광로임과 아울러 핀홀로서도 기능하고 있다. 즉, 대물 렌즈(12)에서 집광한 광 중에서, 계측 대상물(M) 상에 포커싱되는 파장의 광은 광섬유 케이블(2)의 코어에 포커싱되게 된다. 그 때문에, 광섬유 케이블(2)은 계측 대상물(M) 상에 포커싱되지 않은 파장의 광을 차광하여, 계측 대상물(M) 상에 포커싱되는 광을 통과시키는 핀홀로서 기능하게 된다. 이 결과, 본 실시형태에서는, 컨트롤러(20)로부터 센서 헤드(10A)까지의 광로에 광섬유 케이블(2)을 이용함으로써 핀홀이 필요 없어지는 장점을 가진다.
또, 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1A)에서는, 컨트롤러(20)로부터 센서 헤드(10A)까지의 광로에 광섬유 케이블(2)을 이용하지 않는 구성이어도 된다. 그러나, 이러한 광로에 광섬유 케이블(2)을 이용함으로써, 센서 헤드(10A)를 컨트롤러(20)에 대해 플렉시블하게 이동하는 것이 가능해진다.
또한, 광섬유 케이블(2)은 멀티 모드 섬유 또는 싱글 모드 섬유 중 어느 것을 이용해도 된다.
멀티 모드 섬유를 이용한 광섬유 케이블(2)은 섬유의 직경이 크기 때문에, 백색 LED 광원(21)으로부터의 출사광을 전송할 때의 광파워 손실을 줄일 수 있고, 광반사율이 낮은 계측 대상물에서도 높은 S/N비로 안정적으로 계측할 수 있다.
한편, 싱글 모드 섬유를 이용한 광섬유 케이블(2)은 섬유의 직경이 수μm로 작기 때문에, 핀홀로서 기능시키기 위해서는 바람직하다. 이에 의해, 수광파형의 반치폭을 좁힐 수 있어 정밀도 높게 계측할 수 있다.
또한, 광섬유 케이블(2)에는 내굴곡 섬유를 이용하는 것이 바람직하다. 센서 헤드(10A)는 전자 부품 실장 장치 등의 구동 부분에 장착되는 경우가 많고, 그 경우에는 센서 헤드(10A) 자체도 이동하게 된다. 그 때문에, 센서 헤드(10A)에 접속된 광섬유 케이블(2)은 센서 헤드(10A)의 이동 방향으로 끊임없이 구부러지기 때문에, 내굴곡 섬유를 이용함으로써 손상을 막을 수 있다.
다음에, 컨트롤러(20)는, 내부에 백색 광원으로서의 백색 LED(Light Emitting Diode) 광원(21)과, 분기 광섬유(22)와, 분광기(23)와, 수광 소자(24)와, 처리부(25)를 구비하고 있음과 아울러 외부에 모니터(26)를 구비하고 있다.
백색 LED 광원(21)은 LED 광원으로 이루어지고, 본 실시형태에서는 백색광을 출사하게 되어 있다. 또, 본 실시형태에서는 광원으로서 백색 LED 광원(21)을 사용하고 있지만, 반드시 이에 한정하지 않고, 복수 파장의 광을 출사할 수 있는 광원이면 다른 광원이어도 된다.
분기 광섬유(22)는, 광섬유 케이블(2)과 접속하는 쪽에 1개의 광섬유(22a)를 가짐과 아울러, 광섬유 케이블(2)과는 반대쪽에 2개의 광섬유(22b, 22c)를 가진다. 광섬유(22b)는 백색 LED 광원(21)에 접속되어 있다. 한편, 광섬유(22c)는 분광기(23)에 접속되어 있다. 이 결과, 분기 광섬유(22)는 백색 LED 광원(21)으로부터 출사하는 광을 광섬유 케이블(2)에 도입함과 아울러, 광섬유 케이블(2)을 통과하여 센서 헤드(10A)로부터 되돌아오는 광을 분광기(23)에 도입한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 분광기(23)는 콜리메이트 렌즈(23a), 회절 격자(23b) 및 집광 렌즈(23c)를 구비한다. 콜리메이트 렌즈(23a)는, 센서 헤드(10A)로부터 되돌아오는 광을 콜리메이트한다. 회절 격자(23b)는, 콜리메이트 렌즈(23a)에서 콜리메이트된 광을 회절함으로써 분광한다. 집광 렌즈(23c)는, 회절 격자(23b)로부터 출사된 광을 파장마다 수광 소자(24)의 다른 위치에 집광한다.
수광 소자(24)로서는, 분광기(23)로부터 출사된 광의 강도를 측정하는 예를 들어 라인 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 또는 CCD(Charge Coupled Device)를 이용할 수 있다. 여기서, 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1A)에서는, 분광기(23) 및 수광 소자(24)에 의해, 센서 헤드(10A)로부터 되돌아오는 광의 강도를 파장마다 측정하는 측정부를 구성하고 있다. 즉, 측정부는, 대물 렌즈에서 집광된 광 중에서 계측 대상물(M) 상에 포커싱된 파장의 광의 강도를 측정한다. 측정부는 센서 헤드(10A)로부터 되돌아오는 광의 강도를 파장마다 측정할 수 있으면, CCD 등의 수광 소자(24)의 단체(單體)로 구성해도 된다. 또한, 수광 소자(24)는 2차원 CMOS 또는 2차원 CCD이어도 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 처리부(25)는 백색 LED 광원(21) 및 수광 소자(24) 등의 동작을 제어하는 회로이다. 처리부(25)에는, 백색 LED 광원(21) 또는 수광 소자(24) 등의 동작을 제어하기 위한 신호를 출력하는 도시하지 않은 출력 인터페이스, 및 수광 소자(24)로부터의 신호를 입력하는 도시하지 않은 입력 인터페이스 등이 마련되어 있다. 처리부(25)는, 각 화소에서 수광한 광의 강도로부터 계측 대상물(M) 상에 포커싱된 광의 파장을 특정하고, 이러한 파장으로부터 계측 대상물(M)의 위치(광축 방향의 위치)를 특정한다. 처리부(25)는, 특정된 위치를 모니터(26)에 표시시킨다. 모니터(26)는, 처리부(25)로부터의 지시에 기초하여 특정된 계측 대상물(M)의 위치를 표시한다.
(공초점 계측 장치에서의 거리 측정 동작)
다음에, 상기 구성의 공초점 계측 장치(1A)에서의 계측 대상물(M)까지의 거리 측정 동작에 대해 도 1에 기초하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 공초점 계측 장치(1A)에서는, 백색 LED 광원(21)으로부터 복수 파장의 광을 포함하는 백색광이 출사된다. 이 백색광은, 광섬유 케이블(2)을 통과하여 센서 헤드(10A)의 회절 렌즈(11)에 입사된다.
회절 렌즈(11)에서는, 광축을 따라 색수차가 발생한다. 색수차가 발생한 광은, 대물 렌즈(12)를 통과함으로써 높이 방향(광축 방향)으로 색 분리된다. 광축을 따른 색수차가 발생한 광은, 집광됨으로써 이른바 무지개색으로 색 분리된다. 대물 렌즈(12)로부터 가까운 곳에서는 파장이 긴 적색이 집광되고, 대물 렌즈(12)로부터 멀어짐에 따라 파장이 짧은 청색이 집광된다. 계측 대상 범위는, 어느 하나의 파장의 광이 포커싱되어 있는 범위이다.
여기서, 센서 헤드(10A)에서의 계측 대상 범위에 계측 대상물(M)이 존재하면, 계측 대상물(M)의 표면 상에 포커싱된 파장의 반사광만이 공초점 광학계(대물 렌즈(12), 색수차 중첩 발생부(13), 회절 렌즈(11))를 통과하여 광섬유 케이블(2)의 단면에 포커싱된다. 컨트롤러(20)에서는, 도 2에도 도시된 바와 같이, 반사광은, 우선 분광기(23)에 입사되고, 회절 격자(23b)를 개재하여 CCD 등으로 이루어지는 수광 소자(24)에 입사된다. 여기서, 본 실시형태에서는 광섬유 케이블(2)이 핀홀의 기능을 가지고 있으므로, 광섬유 케이블(2)에 포커싱되지 않은 파장의 광은 수광되지 않는다.
이 결과, CCD 등으로 이루어지는 수광 소자(24)에서는, 광의 파장에 따라 CCD에서 어느 화소가 수광할지가 바뀐다. 이 때문에, 처리부(25)에서 화소의 특정을 행함으로써, 계측 대상물(M)의 표면에서 포커싱되었던 광의 파장을 알 수 있다. 처리부(25)에서는, 파장마다 센서 헤드(10A)(예를 들어 센서 헤드(10A)의 단면 또는 대물 렌즈(12))로부터 계측 대상물(M)까지의 거리가 환산식에 의해 대응되어 있다. 이 때문에, CCD 등으로 이루어지는 수광 소자(24)에서의 수광 파형의 정보에 의해 센서 헤드(10A)의 단면(혹은 대물 렌즈(12))으로부터 계측 대상물(M)의 표면까지의 거리를 계측할 수 있다. 계측한 값은 모니터(26)에 표시된다.
이와 같이, 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1A)에서는, 회절 렌즈(11) 및 색수차 중첩 발생부(13)에서 색을 분리하고, 색(파장)에 따라 계측 대상물(M)의 높이 방향의 위치를 계측하여 계측 대상물(M)의 거리를 구하게 되어 있다.
(공초점 계측 장치의 색수차 중첩 발생부)
다음에, 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1A)에서의 색수차 중첩 발생부(13)에 대해 이하에 설명한다.
도 3의 (a)는 공초점 계측 장치(1A)에서의 색수차 중첩 발생부(13)를 포함한 센서 헤드(10A)의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 3의 (b)는 색수차 중첩 발생부(13)를 제외한 센서 헤드의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 센서 헤드에서는 광섬유 케이블(2)의 단부로부터 출사하는 광을 회절 렌즈(11)에 입사시키고, 회절 렌즈(11)에서 축상 색수차를 발생시킨다. 그리고, 회절 렌즈(11)의 초점 거리(f11)와 대물 렌즈(12)의 초점 거리(f12)의 조합에 의해 측정 범위(R)(계측 대상 범위)를 제어하고 있다.
여기서, 공초점 계측 장치에서는, 측정 범위(R)를 크게 하는 것이 넓은 범위를 측정할 수 있으므로 바람직하다.
그래서, 측정 범위(R)를 증가시키는 방법으로서, 예를 들어 대물 렌즈(12)의 초점 거리(f12)를 크게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 대물 렌즈(12)의 초점 거리(f12)를 크게 하기 위해서는 다른 대물 렌즈(12)를 준비해야 한다. 또한, 대물 렌즈(12)의 초점 거리(f12)를 크게 하면 측정 중심 거리가 길어진다(즉, 대물 렌즈(12)의 개구수가 작아진다). 이 때문에, 분해능이 저하되므로 정밀도가 열화된다.
또한, 측정 범위(R)를 증가시키는 다른 방법으로서, 예를 들어 회절 렌즈(11)의 초점 거리(f11)를 작게 하는(개구수를 크게 하는) 것을 생각할 수 있다. 그러나, 회절 렌즈(11)의 초점 거리(f11)를 작게 하기 위해서는 다른 회절 렌즈(11)를 준비해야 한다. 회절 렌즈(11)의 개구수에는 제조상 한계가 있다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1A)에서는, 회절 렌즈(11)에 더하여 회절 렌즈(11)와 대물 렌즈(12)의 사이에 색수차 중첩 발생부(13)를 마련하고 있다.
구체적으로, 본 실시형태의 색수차 중첩 발생부(13)는, 오목 렌즈(13a)(제1 발산 광학부)와 회절 렌즈(13b)(제2 회절 렌즈)를 포함한다. 오목 렌즈(13a)는, 회절 렌즈(13b)에 대해 회절 렌즈(11) 측, 즉 대물 렌즈(12)와는 반대쪽 위치, 즉 음쪽 위치에 마련하고 있다. 오목 렌즈(13a)는 광을 발산시키는 발산 광학 소자이다.
여기서, 회절 렌즈(13b)의 초점 거리를 f1로 하고, 오목 렌즈(13a)의 초점 거리를 f2로 하며, 회절 렌즈(13b)와 오목 렌즈(13a) 사이의 거리를 d로 하면, f1+f2=d를 만족한다. 이에 의해, 합성 초점 거리의 공식으로부터 회절 렌즈(11) 후의 광이 콜리메이트되어 있는 경우, 대물 렌즈(12)에 입사하는 광(회절 렌즈(13b)로부터 출사되는 광)도 콜리메이트가 된다. 또, 발산계의 초점 거리를 음값으로 표현하고 있다.
또, 초점 거리는 백색광에 포함되는 대표 파장에 대한 값이다. 대표 파장은, 측정 범위에 포커싱되는 광의 파장이면 한정되지 않는다. 여기서는, 측정 범위의 중심에 포커싱되는 광의 파장(백색광의 파장 범위의 거의 중심 파장)을 대표 파장으로 한다.
회절 렌즈(11)를 통과한 광은, 회절 렌즈(11)와 오목 렌즈(13a)의 사이에서 콜리메이트되어 있다. 콜리메이트된 광은 오목 렌즈(13a)에 의해 발산되어 회절 렌즈(13b)에 입사한다. 오목 렌즈(13a)에서 발산된 광은, 회절 렌즈(13b)의 초점 위치로부터 회절 렌즈(13b)에 입사하는 것과 동일한 각도로 회절 렌즈(13b)에 입사한다. 회절 렌즈(13b)는 통과하는 광의 색수차를 증가시킨다. 회절 렌즈(13b)를 통과한 광은, 회절 렌즈(13b)와 대물 렌즈(12)의 사이에서 콜리메이트되어 있다. 대물 렌즈(12)는, 집광된 광이 광축을 따른 색수차를 가지도록 회절 렌즈(13b)를 통과한 광을 광축을 따른 측정 범위에 집광한다. 보다 정확하게는, 발생한 색수차에 의해 파장마다 광의 진행 방향은 다르고, 회절 렌즈(11)와 오목 렌즈(13a)의 사이 및 회절 렌즈(13b)와 대물 렌즈(12)의 사이에서 대표 파장의 광이 평행광으로 되어 있다.
이 결과, 회절 렌즈(11)와 색수차 중첩 발생부(13)를 조합하였을 때의 회절 렌즈군(31)의 초점 거리(f31)는, 회절 렌즈(11)의 초점 거리(f11)와 바뀌지 않는다. 따라서, 회절 렌즈(11)와 색수차 중첩 발생부(13)를 조합해도 대물 렌즈(12)의 측정 중심 거리는 변화하지 않게 된다.
한편, 본 실시형태에서는, 회절 렌즈(11)에서 축상 색수차를 발생함과 아울러, 색수차 중첩 발생부(13)에서도 축상 색수차를 겹쳐 발생하고 있다. 그리고, 회절 렌즈(11)와 회절 렌즈(13b)는 모두 동일한 초점 거리이며, 회절 렌즈(13b) 후의 광이 콜리메이트되어 있다. 이 결과, 공초점 계측 장치(1A)의 측정 범위는 색수차 중첩 발생부(13)가 존재하지 않는 경우(R)에 비해 약 2배(2R)로 확대된다.
도 4의 (a)는, 공초점 계측 장치(1A)에서의 센서 헤드(10A)의 광로를 나타내는 도면이다. 도 4의 (b)는, 계측 대상물(M) 부근에서의 복수 파장의 포커싱 위치를 나타내는 도면이다. 도 5의 (a)는, 공초점 계측 장치(1A)에서의 센서 헤드(10A)의 회절 렌즈(11)를 통과하는 광로를 나타내는 도면이다. 도 5의 (b)는, 센서 헤드(10A)의 회절 렌즈(11) 및 오목 렌즈(13a)를 통과하는 광로를 나타내는 도면이다. 도 5의 (c)는, 센서 헤드(10A)의 회절 렌즈(11) 및 색수차 중첩 발생부(13)를 통과하는 광로를 나타내는 도면이다.
도 4의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 백색 LED 광원(21)으로부터는 다양한 파장의 광이 출사된다. 이 광은, 회절 렌즈(11), 색수차 중첩 발생부(13) 및 대물 렌즈(12)를 통과하여 계측 대상물(M)에서 반사(산란)된다. 이 때, 대물 렌즈(12)는 광을 집광하는데, 발생한 색수차에 의해 파장에 따라 포커싱되는 위치가 다르다. 그리고, 계측 대상물(M) 상에 포커싱되어 반사된 광은 원래 광로와는 반대방향으로 진행한다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 광로를 렌즈마다 검증하면, 초점 거리(f11)의 회절 렌즈(11)를 통과한 광 중에서 대표 파장의 광은 평행하게 진행하고, 그 이외의 광은 집속 또는 발산하면서 진행한다.
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 회절 렌즈(11)의 대물 렌즈(12) 측에 초점 거리(f2)의 오목 렌즈(13a)가 존재하면, 오목 렌즈(13a)를 출사한 광이 약간 발산하여 진행한다. 즉, 오목 렌즈(13a)는 회절 렌즈(11)와 회절 렌즈(13b)의 사이에 위치하고, 회절 렌즈(11)로부터 입사되는 평행광을 회절 렌즈(13b)의 초점 위치로부터 발광하는 것처럼 보이게 하여 회절 렌즈(13b)에 도입한다.
도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 오목 렌즈(13a)의 대물 렌즈(12) 측에 초점 거리(f1)의 회절 렌즈(13b)가 존재하면, 회절 렌즈(11)에서 발생한 축상 색수차를 갖는 광에 대해 회절 렌즈(13b)에서 중첩하여 축상 색수차가 발생된다. 회절 렌즈(13b)는 입사한 광의 색수차를 더욱 증가시킨다. 초점 거리(f1)의 회절 렌즈(13b)를 통과한 광 중에서 대표 파장의 광은 평행하게 진행하고, 그 이외의 광은 집속 또는 발산하면서 진행한다. 이 결과, 광은 회절 렌즈(11)에서 발생한 색수차보다 큰 색수차를 가지고 대물 렌즈(12)에 도입되게 된다.
또, 회절 렌즈(11)의 초점 거리(f11)가 작은 쪽이 축상 색수차가 커진다. 이 때문에, 제조 한계의 초점 거리(f11)로 이루어지는 회절 렌즈(11)를 채용한 경우, 회절 렌즈(13b)로서 동일한 초점 거리(f1)의 회절 렌즈를 사용하는 경우에 가장 측정 범위가 커진다.
이와 같이, 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1A)에서는, 광이 대물 렌즈(12)에 대해 콜리메이트에 입사되기 때문에, 측정 중심 거리를 바꾸지 않고 보다 큰 측정 범위를 얻을 수 있다.
도 6은, 공초점 계측 장치(1A)의 센서 헤드(10A)로부터 색수차 중첩 발생부(13)를 제거한 구성을 나타내는 참고도이다.
공초점 계측 장치의 성능을 유지한 채로 측정 범위를 증가시키는 것이 바람직하다. 여기서, 측정 범위 내에서 성능이 바뀌지 않는다는 것은, 수광 소자가 수광하는 광의 강도에 대해 파장에 따라 반치전폭이 바뀌지 않는 것을 나타낸다. 즉, 대물 렌즈(12) 측의 개구수(NA2)가 일정한 것을 나타낸다.
반치전폭이 측정 범위 내에서 다른 것은, 파장에 따라 대물 렌즈(12) 측의 개구수(NA2)가 다르기 때문에 일어난다. 또, 반치전폭은 피사계 심도로 정해지고, 핀홀 지름, 핀홀 측의 개구수(NA1)와 대물 렌즈(12)의 개구수(NA2)로 정해진다. 여기서, 핀홀 지름 및 핀홀 측의 개구수(NA1)는 어느 파장에서도 공통되므로, 대물 렌즈(12)의 개구수(NA2)의 파장 의존성이 반치전폭 변화의 요인이 된다.
단, 색수차 중첩 발생부(13)를 추가함으로써, 대물 렌즈(12)의 개구수(NA2)가 변화하면 정밀도가 변화한다. 만약 회절 렌즈(11)와 대물 렌즈(12)의 사이에 회절 렌즈(13b)만을 추가하면 여분의 굴절력이 추가되므로, 대물 렌즈(12) 측의 초점 거리(=측정 중심 거리)가 변화하고 개구수(NA2)도 변화한다.
그래서, 본 실시형태에서는 상기 문제를 방지하기 위해 오목 렌즈(13a)를 추가하고 있다. 즉, 오목 렌즈(13a)로, 추가한 회절 렌즈(13b)의 굴절력을 소거하고 있다.
〔실시형태 2〕
본 발명의 다른 실시형태에 대해 도 7에 기초하여 설명하면 이하와 같다. 또, 본 실시형태에서 설명하는 것 이외의 구성은 상기 실시형태 1과 동일하다. 또한, 설명의 편의상, 상기 실시형태 1의 도면에 나타낸 부재와 동일한 기능을 갖는 부재에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
상기 실시형태 1의 공초점 계측 장치(1A)에서는, 센서 헤드(10A)에 있어서 회절 렌즈(11)에 더하여 색수차 중첩 발생부(13)가 1개 추가되었다. 이에 반해, 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1B)에서는, 센서 헤드(10B)에 있어서 색수차 중첩 발생부(13)가 2개 마련되어 있는 점이 서로 다르다. 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1B)의 구성에 대해 이하에 설명한다.
도 7은, 본 실시형태에서의 공초점 계측 장치(1B)의 센서 헤드(10B)의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에서의 공초점 계측 장치(1B)의 센서 헤드(10B)에는, 회절 렌즈(11)에 더하여 이 회절 렌즈(11)와 대물 렌즈(12)의 사이에 2개의 색수차 중첩 발생부(13, 13)가 추가되어 있다. 색수차 중첩 발생부(13)는, 실시형태 1에서 설명한 바와 같이 오목 렌즈(13a)와 회절 렌즈(13b)를 조합한 것으로 이루어져 있다. 여기서는, 2개의 색수차 중첩 발생부(13, 13)는 서로 동일한 것이다. 어떤 색수차 중첩 발생부(13)에서도, 회절 렌즈(11)의 초점 거리(f11)에 대해 오목 렌즈(13a)는 초점 거리(f2)이며, 회절 렌즈(13b)의 초점 거리는 f1이다. 또, 실시형태 1과 마찬가지로 회절 렌즈(13b)와 오목 렌즈(13a) 사이의 거리를 d로 하면 f1+f2=d를 만족한다.
이에 의해, 회절 렌즈(11) 측의 색수차 중첩 발생부(13)에서는, 오목 렌즈(13a)의 초점 거리(f2)와 회절 렌즈(13b)의 초점 거리(f1)에 의해 콜리메이트된 광이 색수차 중첩 발생부(13)에 입사하면, 색수차 중첩 발생부(13)로부터 콜리메이트된 광이 출사된다.
이와 같이, 색수차 중첩 발생부(13)를 복수 마련하는 경우에, 대물 렌즈(12)에 입사시키는 광을 콜리메이트시키는 것이 중요하다. 이에 의해, 측정 중심 거리를 바꾸지 않고 효율적으로 측정 범위를 확대할 수 있기 때문이다.
이 결과, 회절 렌즈(11)와 2개의 색수차 중첩 발생부(13, 13)를 조합한 회절 렌즈군(32)의 초점 거리는, 회절 렌즈(11)의 초점 거리(f11)와 동일한 초점 거리(f32)이다.
따라서, 회절 렌즈(11)와 2개의 색수차 중첩 발생부(13, 13)를 조합한 회절 렌즈군(32)의 초점 거리(f32)가, 회절 렌즈(11)만의 초점 거리(f11)에 대해 변화하지 않는다. 이 때문에, 대물 렌즈(12)에서의 측정 중심 거리는 변화하지 않는다.
그러나, 회절 렌즈(11)에 대해 2개의 회절 렌즈(13b)를 추가하고 있으므로, 회절 렌즈(11)에서 발생한 축상 색수차가 3배의 크기로 되어 있다. 이 결과, 측정 범위 R'=3×R로 확대된다.
즉, 본 실시형태에서는, 회절 렌즈(11) 및 회절 렌즈(13b, 13b)의 합계가 3개이므로, 측정 범위 R'=3×R이 된다.
따라서, 일반적으로 회절 렌즈(11) 및 회절 렌즈(13b)의 합계가 N(N은 양의 정수)개가 되면,
측정 범위 R'=N×R
이 된다. 이 때문에, 공초점 계측 장치(1B)의 측정 범위(R')가 회절 렌즈(11)만의 경우에 비해 N배가 되는 것을 알 수 있다. 즉, 회절 렌즈군(32)의 회절 렌즈(11)와 회절 렌즈(13b)의 수를 N개로 하면 색수차가 N배가 되고, 동일한 대물 렌즈(12)와 조합하면 측정 중심 거리는 동일한 채로 측정 범위(R')를 N배로 할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에서의 공초점 계측 장치(1B)에서는, 색수차 중첩 발생부(13)에서의 오목 렌즈(13a)의 초점 거리를 f2, 회절 렌즈(13b)의 초점 거리를 f1, 2개의 렌즈간 거리를 d로 하면, f1+f2=d를 만족한다면 색수차 중첩 발생부(13)가 몇 세트 존재하는 구성이어도 된다. 나아가 추가하는 오목 렌즈(13a)의 수도 몇 개여도 된다.
(변형예)
2개의 오목 렌즈(13a) 및 2개의 회절 렌즈(13b)의 배치순서는 도시한 예에 한정하지 않고, 임의의 배치순서로 해도 된다. 예를 들어 회절 렌즈(11), 회절 렌즈(13b), 회절 렌즈(13b), 오목 렌즈(13a), 오목 렌즈(13a), 대물 렌즈(12)의 배치순서로 나열해도 된다.
복수의 색수차 중첩 발생부(13) 중에서 하나의 색수차 중첩 발생부(13)의 오목 렌즈(13a)(및 회절 렌즈(13b))의 초점 거리와, 다른 색수차 중첩 발생부(13)의 오목 렌즈(13a)(및 회절 렌즈(13b))의 초점 거리는 달라도 된다. 또한, 하나의 색수차 중첩 발생부(13)에서의 오목 렌즈(13a) 및 회절 렌즈(13b)의 위치 관계와, 다른 색수차 중첩 발생부(13)의 오목 렌즈(13a) 및 회절 렌즈(13b)의 위치 관계는 달라도 된다. 단, 회절 렌즈(13b) 후의 광이 콜리메이트가 아니면 효율적으로 색수차를 중첩할 수 없기 때문에, 색수차 중첩 발생부(13)를 N개 추가하였다고 해도 측정 범위(R')가 (원래 측정 범위(R))*(N+1)이 되지 않는다.
〔실시형태 3〕
본 발명의 또 다른 실시형태에 대해 도 8에 기초하여 설명하면 이하와 같다. 또, 본 실시형태에서 설명하는 것 이외의 구성은 상기 실시형태 1 및 실시형태 2와 동일하다. 또한, 설명의 편의상, 상기 실시형태 1 및 실시형태 2의 도면에 나타낸 부재와 동일한 기능을 갖는 부재에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
상기 실시형태 1의 공초점 계측 장치(1A)에서는, 센서 헤드(10A)에 있어서 색수차 중첩 발생부(13)가 1개 마련되었다. 그리고, 색수차 중첩 발생부(13)에서의 회절 렌즈(13b)의 초점 거리는, 회절 렌즈(11)의 초점 거리(f11)와 동일한 초점 거리(f1)이었다.
이에 반해, 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1C)에서는, 센서 헤드(10C)에 있어서 회절 렌즈(11)에 더하여 색수차 중첩 발생부(14)가 1개 추가되어 있는 점은 동일하지만, 색수차 중첩 발생부(14)에서의 회절 렌즈(14b)의 초점 거리가 회절 렌즈(13b)의 초점 거리(f1)와는 다른 초점 거리(f3)로 되어 있는 점이 서로 다르다. 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1C)의 구성에 대해 이하에 설명한다.
도 8은, 본 실시형태에서의 공초점 계측 장치(1C)의 센서 헤드(10C)의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에서의 공초점 계측 장치(1C)의 센서 헤드(10C)에서는, 회절 렌즈(11)에 더하여 1개의 색수차 중첩 발생부(14)가 추가되어 있다. 여기서, 본 실시형태에서는, 색수차 중첩 발생부(14)에서의 회절 렌즈(14b)(제3 회절 렌즈)의 초점 거리는, 회절 렌즈(11)(제1 회절 렌즈)의 초점 거리(f11)와는 다른 초점 거리(f3)가 되어 있다. 또한, 이 회절 렌즈(14b)의 초점 거리(f3)에 대응하여 오목 렌즈(14a)(제2 발산 광학부)의 초점 거리(f4)가 f3+f4=d(렌즈간 거리)를 만족할 때, 색수차 중첩 발생부(14)에서는 회절 렌즈(14b)의 집속을 오목 렌즈(14a)가 캔슬한다. 이에 의해, 회절 렌즈(14b)를 통과한 광은 콜리메이트되어 있다.
이 결과, 회절 렌즈(11)와 하나의 색수차 중첩 발생부(14)를 조합한 회절 렌즈군(33)의 초점 거리는, 회절 렌즈(11)의 초점 거리(f11)와 동일한 초점 거리(f33)이다. 이 때문에, 대물 렌즈(12)에서의 측정 중심 거리는 변화하지 않는다.
본 실시형태에서는, 초점 거리가 서로 다른 회절 렌즈(11)와 회절 렌즈(14b)를 조합하고 있다. 이에 의해, 회절 렌즈(11)에서 발생한 색수차가 A배가 되어 있다(A는 1보다 큰 실수). 이 결과, 측정 범위 R'=A×R이 된다. 본 실시형태의 공초점 계측 장치(1C)에서는, 자유롭게 측정 범위를 바꾸는 것이 가능해진다.
따라서, 이 공초점 계측 장치(1C)의 구성에 의해서도 실시형태 2의 공초점 계측 장치(1B)와 마찬가지로 확대된 측정 범위를 얻을 수 있다. 그리고, 본 실시형태의 경우, 색수차 중첩 발생부(14)의 개수는 증가하지 않으므로, 공초점 계측 장치(1C)는 공초점 계측 장치(1B)의 구성을 간략화할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는 색수차 중첩 발생부(14)의 개수를 증가하지 않는 것을 전제로 하고 있지만, 본 발명의 일 태양에서는 반드시 이에 한정하지 않고, 색수차 중첩 발생부(14)의 개수를 증가하는 것도 가능하다.
(변형예)
공초점 계측 장치(1C)의 공초점 광학계에 실시형태 2의 색수차 중첩 발생부(13)를 더 추가해도 된다. 이와 같이, 초점 거리(f1)의 회절 렌즈(13b)와 초점 거리(f3)의 회절 렌즈(14b)를 배치해도 된다.
본 발명은 상술한 각 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 청구항에 나타낸 범위에서 다양한 변경이 가능하며, 다른 실시형태에 각각 개시된 기술적 수단을 적절히 조합하여 얻어지는 실시형태에 대해서도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
1A, 1B, 1C 공초점 계측 장치
2 광섬유 케이블
10A, 10B, 10C 센서 헤드
11 회절 렌즈(제1 회절 렌즈)
12 대물 렌즈
13a, 14a 오목 렌즈(제1 발산 광학부, 제2 발산 광학부)
13, 14 색수차 중첩 발생부
13b, 14b 회절 렌즈(제2 회절 렌즈, 제3 회절 렌즈)
20 컨트롤러
21 백색 LED 광원(광원)
22 분기 광섬유
23 분광기(측정부)
24 수광 소자(측정부)
25 처리부
26 모니터
31, 32, 33 회절 렌즈군

Claims (9)

  1. 공초점 광학계를 이용한 공초점 계측 장치로서,
    복수 파장의 광을 출사하는 광원과,
    상기 광원으로부터 출사된 광에 색수차를 발생시키는 제1 회절 렌즈와,
    상기 제1 회절 렌즈를 통과한 광의 색수차를 증가시키는 제2 회절 렌즈와,
    집광된 광이 광축을 따른 색수차를 가지도록, 상기 제2 회절 렌즈를 통과한 광을 상기 광축을 따른 계측 대상 범위에 집광하는 대물 렌즈와,
    상기 대물 렌즈로 집광된 광 중에서, 계측 대상물 상에 포커싱된 파장의 광의 강도를 측정하는 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 대물 렌즈에 입사하는 광은 콜리메이트되어 있는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 대물 렌즈보다 상기 광원 측에, 광을 발산시키는 제1 발산 광학부를 구비하는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 발산 광학부는, 적어도 하나의 오목 렌즈를 갖는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    발산계의 초점 거리를 음값으로 표현한 경우, 상기 제2 회절 렌즈의 초점 거리를 f1로 하고, 상기 제1 발산 광학부의 초점 거리를 f2로 하며, 상기 제2 회절 렌즈와 상기 제1 발산 광학부 사이의 거리를 d로 하면, f1+f2=d를 만족하는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 발산 광학부는, 상기 제1 회절 렌즈와 상기 제2 회절 렌즈의 사이에 배치되어 있고,
    상기 제2 회절 렌즈와 상기 대물 렌즈의 사이에서 광은 콜리메이트되어 있는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 회절 렌즈의 초점 거리와 상기 제2 회절 렌즈의 초점 거리는 동일한 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 회절 렌즈의 초점 거리와 상기 제2 회절 렌즈의 초점 거리는 다른 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 회절 렌즈와 상기 대물 렌즈의 사이에, 광의 색수차를 증가시키는 제3 회절 렌즈와, 광을 발산시키는 제2 발산 광학부를 구비하는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
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