TWI454746B - 利用被測量物之反射光的光學特性測量裝置及該測量裝置之調焦方法 - Google Patents

利用被測量物之反射光的光學特性測量裝置及該測量裝置之調焦方法 Download PDF

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Description

利用被測量物之反射光的光學特性測量裝置及該測量裝置之調焦方法
本發明係有關於一種光學特性測量裝置及該測量裝置之調焦方法，更特別地係有關於在對其反射影像之濃淡差係相對地小之被測量物進行光學特性測量時容易地進行調焦的技術。
做為用於透過對被形成在基板上等的薄膜照射光，並分光計測其反射光，以測量該薄膜的反射率、折射率、消光係數、及膜厚等的光學特性(光學常數)之代表的光學特性測量裝置，已知有顯微分光裝置。
一般的顯微分光裝置係例如特開平11－230829號公報的圖1開示的構成。此顯微分光裝置係包括：照明光學系統，將從光源射出的照明光經由半反射鏡導引至被載置於工作台上的測量樣品；及成像光學系統，將在測量樣品中被反射的光導引至繞射光柵及監控用光學系統。繞射光柵係做為將來自測量樣品上的測量區域之觀察光分光的分光裝置，並且將分光光譜成像在線感測器上。由在線感測器上被測量的分光光譜算出光學特性。另一方面，監控用光學系統將測量樣品的放大影像透過中繼透鏡成像至2維的CCD照相機上。透過CCD照相機被拍照之測量樣品的放大影像被用以確認測量位置及調焦。
再者，特開2006－301270號公報及特開2000－137158 號公報揭示基於由監控用光學系統取得的放大影像進行自動對焦的技術。
在上述特開2006－301270號公報中揭示基於影像信號的亮度位準的頻譜算出聚焦值的結構，在特開2000－137158號公報中揭示基於聚焦區域內的邊緣強度值算出聚焦值(聚焦度)的結構。
這些結構可適用於在將被測量物拍照得到的影像(或是其影像信號)上存在濃淡差(對比)的情況，在被測量物本身的濃淡差低的情況中，適用變得困難。例如，在以諸如玻璃基板及透鏡的透明材料做為被測量物的情況中，由於反射率低，反射光變弱，使得其反射影像整體地變暗，而其濃淡差變小。相對地，在以於其表面上未形成任何設計(圖案)的鏡面狀的樣品做為被測量物的情況中，由於反射率高，入射光幾乎全部反射，此時，反射影像的濃淡差也變小。因此，在傳統的方法中，合焦狀態及非合焦狀態之間的聚焦值的變化小，而無法得到充分的聚焦精確度。
為了解決此等問題，本發明之目的在於提供一種光學特性測量裝置及調焦方法，其可對其反射影像之濃淡差係相對地小的被測量物更容易地進行對焦。
根據本發明之一個面向的光學特性測量裝置係包含測量用光源、觀察用光源、聚光光學系統、調整機構、光注入部、光罩部、光分離部、聚焦狀態判斷部、及位置控 制部。測量用光源產生包含對被測量物之測量範圍的波長之測量光。觀察用光源產生包含可在被測量物反射的波長之觀察光。聚光光學系統被入射測量光及觀察光，並將入射的光聚光。調整機構可變更聚光光學系統及被測量物之間的位置關係。光注入部在由測量用光源起至聚光光學系統的光學路徑上的預定位置中注入觀察光。光罩部在由觀察用光源起至光注入部的光學路徑上的預定位置中，遮蔽觀察光的一部分，以投射觀察基準影像。光分離部將在被測量物產生的反射光分離成測量反射光及觀察反射光。聚焦狀態判斷部，基於對應觀察反射光包含的觀察基準影像之反射影像，判斷被測量物上之測量光的聚焦狀態。位置控制部，根據聚焦狀態的判斷結果，控制調整機構。
根據本發明，將其部分被遮蔽的觀察光照射至被測量物，而在被測量物上投射觀察基準影像。此觀察光在被測量物反射並產生觀察反射光，此觀察反射光包含對應於觀察基準影像的反射影像。在對應於此觀察基準影像的反射影像上，由於透過觀察基準影像產生濃淡差(對比差)，與被測量物的反射率無關，可正確地判斷被測量物上之觀察光的聚焦狀態。
相對地，由於測量光及觀察光係經由共通的聚光光學系統照射被測量物，被測量物上的觀察光之聚焦狀態及被測量物上的測量光之聚焦狀態可被視為實質上相同。
因此，即使是其反射影像的濃淡差係相對地小的被測量物，基於包含對應於觀察基準影像的反射影像之觀察反 射光，可容易地進行對焦。
較好地，光學特性測量裝置更包含照相部，接收觀察反射光，並輸出根據該觀察反射光的影像信號。聚焦狀態判斷部係基於來自照相部的影像信號輸出顯示聚焦狀態的值。
最好地，聚焦狀態判斷部係基於根據觀察反射光的影像信號中相當於被預先設定的區域之信號成分輸出顯示聚焦狀態的值。
較好地，調整機構被構成以可沿著測量光的光軸移動被測量物。位置控制部係沿著光軸調整聚光光學系統及被測量物之間的距離，以使得顯示聚焦狀態的值成為最大。
較好地，調整機構被構成以可再沿著與光軸正交的平面移動被測量物。位置控制部，關於平面上的複數座標的每一個，取得使顯示聚焦狀態的值成為最大之被測量物的光軸方向的位置以做為各座標的聚焦位置，且基於取得之複數個聚焦位置，搜尋被測量物之空間的反曲點。
最好地，位置控制部分別取得關於沿著平面上的第1方向的複數座標取得複數聚焦位置，同時分別關於沿著平面上之與第1方向正交的第2方向的複數座標取得複數聚焦位置，再基於在第1及第2方向的各個中使得聚焦位置成為最大值及最小值之一的座標，決定被測量物之空間的反曲點。
最好地，位置控制部在沿著平面移動被測量物以使得測量光及觀察光被照射至空間的反曲點之後，進一步沿著 光軸調整聚光光學系統及被測量物之間的距離，以使得顯示聚焦狀態的值成為最大。
較好地，照相部將對應於被行列狀配置的複數像素的每一個之觀察反射光的亮度資料輸出做為影像信號。聚焦狀態判斷部係基於對應各像素的亮度資料的柱狀圖輸出顯示聚焦狀態的值。
根據本發明之另一個面向，提供一種光學特性測量裝置的調焦方法。光學特性測量裝置係包括：測量用光源、觀察用光源、聚光光學系統、調整機構、光注入部、光分離部。測量用光源產生包含對被測量物之測量範圍的波長之測量光。觀察用光源產生包含可在被測量物反射的波長之觀察光。聚光光學系統被入射測量光及觀察光，並將入射的光聚光。調整機構可變更聚光光學系統及被測量物之間的位置關係。光注入部在由測量用光源起至聚光光學系統的光學路徑上的預定位置中注入觀察光。光罩部在由觀察用光源起至光注入部的光學路徑上的預定位置中，遮蔽觀察光的一部分，以投射觀察基準影像。光分離部將在被測量物產生的反射光分離成測量反射光及觀察反射光。調焦方法係包含：由觀察用光源開始產生觀察光的步驟；基於對應觀察反射光包含的觀察基準影像之反射影像，判斷被測量物上之測量光的聚焦狀態的步驟；及根據聚焦狀態的判斷結果，控制調整機構的步驟。
較好地，光學特性測量裝置更包含照相部，接收觀察反射光，並輸出根據該觀察反射光的影像信號。調整機構 係被構成而可沿著測量光的光軸移動被測量物。判斷聚焦狀態的步驟係包含基於來自照相部的影像信號輸出顯示聚焦狀態的值的步驟。控制調整機構的步驟係包含沿著光軸調整聚光光學系統及被測量物之間的距離，以使顯示聚焦狀態的值成為最大的步驟。
根據本發明，可對其反射影像之濃淡差係相對地小的被測量物更容易地進行對焦。
由參閱附圖被理解之有關本發明的下面詳細說明，本發明之上述及其他目的、特徵、面向及優點變得更加明瞭。
參閱附圖詳細說明本發明之實施例。再者，圖中相同或相當的部分標示相同的符號，且不重複其說明。
[實施例1] (整體結構)
根據本發明之實施例1的光學特性測量裝置100A通常係一分光式測量裝置，其利用測量來自被測量物的反射光的光譜，測量被形成在被測量物上的薄膜等的(絕對及/或相對)反射率、折射率、消光係數、及膜厚等的光學特性(光學常數)。
再者，在諸如半導體基板、玻璃基板、藍寶石基板、石英基板、及膜的材料表面上形成薄膜以做為被測量物的代表例。更具體來說，形成薄膜的玻璃基板係被使用做為液晶顯示器(LCD：Liquid Crystal Display)及電漿顯示 面板(PDP：Plasma Display Panel)等平面顯示器(FPD：Flat Panel Display)的顯示單元。又，形成薄膜的藍寶石基板係被使用做為氮化物半導體(GaN：Gallium Nitride)系的LED(Light Emitting Diode)及LD(Laser Diode)。又，形成薄膜的石英基板係被使用於各種光學濾光器及光學元件與投影液晶元件等。
特別地，根據本實施例之光學特性測量裝置100A，在測量玻璃基板等之透明且反射率相對低的被測量物之光學特性時，透過遮蔽用於對焦之觀察光的一部分，將觀察基準影像投射至被測量物，並基於對應於此觀察基準影像的反射影像，進行對被測量物的對焦。又，根據本實施例之光學特性測量裝置100A，透過遮蔽被用於對焦之觀察光的一部分，可對於在其表面上什麼設計(圖案)都未形成的鏡面狀的被測量物進行對焦。
參閱圖1，光學特性測量裝置100A係包括：控制裝置2；測量用光源10；準直透鏡12；截止濾光器14；成像透鏡16、36；光圈18；分光器20、30；觀察用光源22；光纖24；出射部26；針孔反射鏡32；軸變換反射鏡34；觀察用照相機38；顯示部39；物鏡40；載物台50；可動機構52；分光測量部60；及資料處理部70。
測量用光源10係產生被用於測量被測量物的光學特性之測量光的光源，其通常係由氘燈(D2 燈)及鎢絲燈或其組合構成。測量用光源10產生的測量光係包含對被測量物之光學特性的測量範圍(例如，對於形成於玻璃基板上 的薄膜係250nm~750nm)的波長。在根據本實施例之光學特性測量裝置100A中，由於不將測量光使用於調焦，可任意地設定測量光的波長頻帶，也可使用僅包含諸如紅外光頻帶及紫外光頻帶的可見光頻帶以外的波長之測量光。
準直透鏡12、截止濾光器14、成像透鏡16、及光圈18係被配置在連結測量用光源10及分光器30的光軸AX2上，並光學地調整從測量用光源10射出的測量光。
準直透鏡12係來自測量用光源10的測量光最初入射的光學元件，其將做為擴散光線傳播的測量光折射並變換成平行光線。通過準直透鏡12的測量光入射至截止濾光器14。
截止濾光器14係用以將測量光包含的波長限制於測量光學特性需要的波長範圍之光學濾光器。也就是，因為測量光包含之測量範圍以外的波長成分變成導致測量誤差的主因，所以截止濾光器14將測量範圍以外的波長成分裁剪掉。通常，截止濾光器14係由蒸氣沉積至玻璃基板等之上的多層膜形成。
為了調整測量光的光束直徑，成像透鏡16將通過截止濾光器14的測量光從平行光線變換成收斂光線。通過成像透鏡16的測量光入射至光圈18。
光圈18在將測量光的光量調整至預定量之後射出至分光器30。最好，光圈18被配置在透過成像透鏡16被變換的測量光的成像位置上。再者，光圈18的光圈量係根據入射至被測量物的測量光之景深及必要的光強度等而 被適當地設定。
相對地，觀察用光源22係產生被使用於對被測量物對焦及確認測量位置的觀察光的光源，其根據來自控制裝置2的指令而開始或停止產生觀察光。觀察用光源22產生的觀察光被選擇以包含可在被測量物上反射的波長。在根據本實施例的光學特性測量裝置100A中，由於觀察光未被使用於測量光學特性，可採用具有適於對被測量物對焦及確認測量位置的波長頻帶及光量的光源。觀察用光源22係經由光纖24與出射部26接續，在觀察用光源22中產生的觀察光在通過做為光波導的光纖24傳播後從出射部26朝向分光器20射出。
出射部26係被配置於在從觀察用光源22起至分光器20的光學路徑上的預定位置，同時包含遮蔽在觀察用光源22產生的觀察光的一部分之光罩部26a，使得預定的觀察基準影像被投射至被測量物。也就是，雖然剛在觀察用光源22上產生的觀察光的光束截面中的光強度(光量)大概均勻，利用光罩部26遮蔽此觀察光的一部分，在觀察光上形成在其光束截面中光強度大約為零的區域(陰影區域)。此陰影區域做為觀察基準影像被投射至被測量物上。以下，此等觀察基準影像也被稱為刻線板(reticle)影像。
如此，根據本實施例之光學特性測量裝置100A係利用將包含刻線板影像的觀察光照射至被測量物，即使對於在其表面上什麼設計(圖案)都未形成之反射率低的被測 量物(例如，透明的玻璃基板等)，根據該投射的刻線板影像，使用者可容易地進行調焦。又，即使對於照射的觀察光幾乎被完全反射的鏡面狀的樣品，由於透過刻線板影像而在反射影像上產生濃淡差，可容易地進行對焦。刻線板影像可為任何形狀，舉例而言，可使用同心圓形及十字形的圖案等。
載物台50係用以配置被測量物之可自由地移動的樣品台，其配置面係被平坦地形成。舉例而言，此載物台50係透過被機械地連結的可動機構52，在3個方向(X方向、Y方向、Z方向)上自由地被驅動。在本說明書中，「Z方向」係表示沿著光軸AX1的方向，「X方向」及「Y方向」係表示與光軸AX1正交的面上之獨立的2個方向。又，可動機構52係被構成以包含例如3個軸的伺服馬達，及用以驅動各伺服馬達的伺服驅動器。可動機構52係回應於來自控制裝置2的載物台位置指令驅動載物台50。透過驅動此載物台50，調整被測量物與後述的物鏡40間的位置關係。
物鏡40、分光器20、分光器30、及針孔反射鏡32係被配置於在垂直於載物台50的平坦面之方向上延伸的光軸AX1上。
分光器30係利用反射以測量用光源10產生的測量光，將其傳播方向變換朝向光軸AX1的紙面下方。又，分光器30被沿著光軸AX1朝向紙面上方傳播之來自被測量物的反射光穿透。舉例而言，分光器30係由半反射鏡構 成。
相對地，分光器20係利用反射以觀察用光源22產生的觀察光，將其傳播方向變換朝向光軸AX1的紙面下方。同時，分光器20被沿著光軸AX1朝向紙面下方傳播之在分光器30被反射的測量光穿透。也就是，分光器20係做為在從測量用光源10至做為聚光光學系統的物鏡40之光學路徑上的預定位置中注入觀察光的光注入部。在此分光器20合成的測量光及觀察光入射至物鏡40。又，分光器20被沿著光軸AX1朝向紙面上方傳播之來自被測量物的反射光穿透。舉例而言，分光器20係由半反射鏡構成。
物鏡40係用以將沿著光軸AX1朝向紙面下方傳播之測量光及觀察光聚光的聚光光學系統。也就是，物鏡40收斂測量光及觀察光以在被測量物或其附近的位置成像。又，物鏡40係具有預定倍率(例如，10倍、20倍、30倍、40倍等)的放大透鏡，從而，與入射至物鏡40的光之光束截面相比，可將測量被測量物的光學特性之區域更加微小化。因此，可測量被測量物之更微小區域的光學特性。
又，從物鏡40入射至被測量物的測量光及觀察光的一部分係在被測量物上被反射，且沿著光軸AX1朝向紙面上方傳播。此反射光在穿透物鏡40之後，也穿透分光器20及30，並到達針孔反射鏡32。
針孔反射鏡32係做為將在被測量物上產生的反射光分離成測量反射光及觀察反射光的光分離部。具體而言， 針孔反射鏡32係包含將沿著光軸AX1朝向紙面上方傳播之來自被測量物的反射光反射之反射面，且形成以該反射面及光軸AX1的交點做為中心的開口部(針孔)32a。此針孔32a被形成以使得其大小比來自測量用光源10的測量光在被測量物上反射而產生的測量反射光在針孔反射鏡32的位置之光束直徑小。又，此針孔32a係被配置以分別與測量光及觀察光在被測量物反射產生的測量反射光及觀察反射光的成像位置一致。透過此種結構，在被測量物上產生的反射光中靠近光軸AX1附近的成分通過針孔32a並入射至分光測量部60。相對地，反射光之剩餘部分則變換其傳播方向並入射至軸變換反射鏡34。
分光測量部60測量通過針孔反射鏡32之測量反射光的光譜，並將其測量結果輸出至資料處理部70。更詳細地，分光測量部60係包含繞射光柵(光柵)62、檢測部64、截止濾光器66、及快門68。
截止濾光器66、快門68、及繞射光柵62係被配置在光軸AX1上。截止濾光器66係用以限制通過針孔入射至分光測量部60的測量反射光中包含的測量範圍以外的波長成分之光學濾光器，特別是裁剪掉測量範圍外的波長成分。快門68在重置檢測部64時被使用以遮斷入射至檢測部64的光。快門通常係由透過電磁力驅動的機械式快門構成。
繞射光柵62在將入射的測量反射光分光之後，將各分光的光波導引至檢測部64。具體而言，繞射光柵62係 反射型的繞射光柵，其被構成以使得在預定的波長間隔之每個繞射波反射至對應的各方向。當測量反射波入射至具有此種結構的繞射光柵62時，所包含的各波長成分被反射至對應的方向，並且入射至檢測部64之對應的檢測區域。繞射光柵62通常係由平面聚焦(flat focus)型球面光柵構成。
為了測量測量反射光的光譜，檢測部64輸出對應於在繞射光柵62被分光的測量反射光包含之各波長成分的光強度之電氣信號。檢測部64通常係由將光二極體等的檢測元件配置成陣列狀的光二極體陣列、及被配置成矩陣狀的CCD(Charged Coupled Device)等構成。
繞射光柵62及檢測部64係根據光學特性的測量波長範圍及測量波長間隔等被適當地設計。
資料處理部70係基於來自檢測部64的測量結果(電氣信號)進行各種資料處理(通常係適配處理及噪音除去處理)，以將被測量物的反射率、折射率、消光係數、及膜厚等的光學特性(光學常數)輸出給控制裝置2及未圖示的其他裝置。
相對地，在針孔反射鏡32被反射的觀測反射光係沿著光軸AX3傳播，並入射至軸變換反射鏡34。軸變換反射鏡34將觀測反射光的傳播方向從光軸AX3變換至光軸AX4。從而，觀測反射光係沿著光軸AX4傳播，並入射至觀察用照相機38。
觀察用照相機38係接收觀察反射光，並輸出根據接 收的觀察反射光之影像信號的照相部，其通常係由CCD(Charged Coupled Device)及CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)感測器等構成。再者，觀察用照相機38的感度波長係被設定以涵蓋觀察光包含的波長，通常，其一般係對可見光頻帶具有感度。觀察用照相機38係將根據接收的觀察反射光之影像信號輸出至顯示部39及控制裝置2。顯示部39係基於來自觀察用照相機38的影像信號將觀察反射光的影像顯示於畫面上。使用者可目視被顯示在此顯示部39上的影像，進行測量位置的確認等。顯示部39通常係由液晶顯示器(LCD)等構成。
控制裝置2係基於來自觀察用照相機38的影像信號，並基於對應於觀察反射光包含的刻線板影像之反射影像，判斷在被測量物上之測量光的聚焦狀態，並根據該聚焦狀態的判斷結果，驅動可動機構52。如上所述，測量光及觀察光均經由物鏡40入射至被測量物。因此，利用光學等價地設計從測量用光源70起至物鏡40的光學路徑與從觀察用光源22起至物鏡40的光學路徑，可將對被測量物之觀察光的聚焦狀態及對被測量物之測量光的聚焦狀態視為實質上相同。換言之，若觀察光在被測量物上係合焦狀態，則測量光在被測量物上也可被視為係合焦狀態。因此，在根據本實施例的光學特性測量裝置100A中，基於由觀察光在被測量物上反射而產生的觀察反射光造成的反射影像之聚焦狀態，判斷在被測量物上之測量光的聚焦狀態。
更具體而言，控制裝置2係基於來自觀察用照相機38的影像信號，算出顯示在被測量物上之測量光的聚焦狀態的值(以下，也稱為「聚焦值」)，並且控制被測量物及物鏡40之間的位置關係，以使得此聚焦值成為最大。關於此聚焦值的算出方法及位置關係的控制方法係在下面說明。
又，控制裝置2係關於XY平面上的複數座標分別取得相當於使聚焦值成為最大之被測量物(載物台50)在Z方向的位置之聚焦位置Mz，基於取得的複數聚焦位置Mz，搜尋被測量物之空間的反曲點。在本說明書中，所謂「空間的反曲點」係表示在被測量物具有凸形及凹形等的表面形狀的情況中，其頂點及底點等之空間的變化方向改變的點。更具體來說，在被測量物係凸形透鏡等的情況中，控制裝置2將該透鏡的頂點判斷為「空間的反曲點」。關於進行此空間的反曲點之搜尋的處理也是在下面說明。
控制裝置2通常係由包含CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、及硬碟裝置的電腦(均未圖示)構成，預先儲存在硬碟裝置的程式被讀出至RAM後，利用CPU執行該程式，而實現本發明的處理。本發明之處理的部分或全部也可透過硬體實現。
有關上述圖1及本發明的對應關係，測量用光源10係相當於「測量用光源」，觀察用光源22係相當於「觀察用光源」，物鏡40係相當於「聚光光學系統」，分光器20係相當於「光注入部」，光罩部26a係相當於「光 罩部」，針孔反射鏡32係相當於「光分離部」，觀察用照相機38係相當於「輸出部」，可動機構52係相當於「調整機構」，照相機38係相當於「照相部」。
(觀察基準影像)
圖2係用以更詳細說明將觀察基準影像投射至被測量物的結構之圖式。
參閱圖2，觀察用光源22(圖1)產生的觀察光係經由光纖24被導引至出射部26。此觀察用光源22產生的觀察光之光束截面(通常為圓形)的光強度(光量)係如圖示為A－A截面大體上均一。然後，利用出射部26包含的光罩部26a遮蔽觀察光的一部分，在其光束截面中相當於刻線板影像的區域之光強度大體上為零。亦即，在通過出射部26後的觀察光之光束截面(圓形)的光強度上，形成如圖示為B－B截面之相當於刻線板影像的陰影區域。包含此相當於刻線板影像的陰影區域之觀察光係在分光器20被反射，並且沿著光軸AX1朝向被測量物OBJ進行。
相對地，測量用光源(圖1)產生的測量光係在分光器30被反射，並且沿著光軸AX1朝向被測量物OBJ進行。在此，測量光之光束截面(圓形)的光強度(光量)係如圖示為C－C截面大體上均一。
如此，在被測量物OBJ上係被照射測量光及觀察光。
圖3係繪示以觀察用照相機38拍照之來自被測量物OBJ的觀察影像之一例的圖式。
參閱圖3，觀察用照相機38可得到對應於被投射至被 測量物OBJ上的觀察光之光束直徑的觀察視野80。在此觀察視野80內包含來自被測量物OBJ的反射影像，同時包含對應於被投射至被測量物OBJ的刻線板影像之反射影像86。在觀察視野80的中心部存在由被設置在針孔反射鏡32的針孔32a(圖1)造成的陰影部82。亦即，陰影部82係由將測量光在被測量物OBJ反射而產生的測量反射光分離所造成。
根據本實施例之光學特性測量裝置100A係基於對應於圖3所示的刻線板影像之反射影像86的濃淡差(對比差)，判斷測量光對被測量物OBJ之聚焦狀態。
另外，觀察光大多被設定以包含可見光頻帶的波長，但在對於被測量物之可見光頻帶的波長之反射率相當小的情況(例如，可見光抗反射膜等)，觀察光也可被設定以包含近紅外光及紫外光區域的波長。在此情況中，觀察用照相機38的受光感度也被選擇以對應於觀察光的波長。
(測量光及觀察光的光束直徑)
在被測量物為凸形透鏡等的情況中，因為測量光入射至球面形的表面，在測量光的光束直徑(照射光斑的直徑)比被測量物的曲率半徑等大時，測量光在被測量物的表面分散且被反射至與入射路徑不同的路徑之比率變大。亦即，由於測量光中在被測量物正反射的光量降低，故無法正確地測量反射率及膜厚等的光學特性。
因此，從進一步提升光學特性的測量精度的觀點，最好，入射至被測量物之測量光的光束直徑係相對地小。例 如，入射至被測量物之測量光的光束直徑與被測量物的大小間的關係最好是在以直徑為3~7mm的透鏡為被測量物的情況中，測量光的光束直徑為約0.01mm。
又，在測量光傳播時，在其光學路徑上的透鏡之表面上產生少量的反射，且測量反射光產生在從針孔32a偏移的位置上之成像。在此種分光測量部60中不期望(不希望入射)的光也被稱為內部反射光，其可能成為測量誤差的主因，利用減小傳播中的測量光的光束直徑，可減低入射至針孔32a之此種內部反射光。例如，當測量光的光束直徑成為1/8時，利用簡單的計算，內部反射光可減低至約1/64。再者，由於也可抑制不規則反射及漫反射，實際上可進一步減低內部反射光。
相對地，從更容易地進行對被測量物的對焦的觀點，入射至被測量物的觀察光之光束直徑最好是相對地大。這是為了確保盡可能大的觀察視野。
因此，在根據本實施例的光學特性測量裝置100A中，如圖2所示，分光器20中的測量光之光束直徑被設計以變得比分光器20中的觀察光之光束直徑小。
(控制裝置中的處理)
圖4係繪示根據本發明之實施例1的控制裝置2的功能結構之方塊圖。
參閱圖4，控制裝置2包含聚焦狀態判斷部2A及位置控制部2B，以做為其功能。
聚焦狀態判斷部2A係基於對應於觀察光在被測量物 反射產生的觀察反射光包含的刻線板影像之反射影像，判斷測量光在被測量物中之聚焦狀態。更具體而言，基於根據來自觀察用照相機38的觀察反射光之影像信號，算出聚焦值(以下也記載為FV(Focus Value))，並輸出至位置控制部2B。另外，聚焦狀態判斷部2A可基於來自觀察用照相機38之影像信號中被預先設定的部分區域的信號成分，算出聚焦值。
相對地，位置控制部2B係根據來自聚焦狀態判斷部2A的聚焦值輸出載物台位置指令，並驅動可動機構52，以調整物鏡40(圖1、圖2)及被測量物之間的位置關係。更具體而言，位置控制部2B係沿著光軸AX1調整物鏡40及被測量物之間的距離，以使聚焦值成為最大。
有關上述圖4及本發明的對應關係，聚焦狀態判斷部2A係相當於「聚焦狀態判斷部」，位置控制部2B係相當於「位置控制部」。
(聚焦值計算處理)
圖5係繪示從觀察用照相機38輸出的影像信號的資料構造之圖式。
參閱圖5，觀察用照相機38將從觀察用光源22側起沿著光軸AX1觀察載物台50的反射影像拍照。亦即，從觀察用照相機38輸出顯示對應於載物台50上之X方向及Y方向之反射影像的影像信號。此種影像信號包含在每個拍照周期被更新的畫面200。另外，在圖5中，為了便於說明，顯示畫面200的列方向對應於載物台50上的X方 向，畫面200的行方向對應於載物台50上的Y方向的例子，但並不限定於此等對應關係。
此畫面200係由對應於被行列狀配置的複數像素之每一個的m列×n行的亮度資料構成。對應於此各個像素的亮度資料，若觀察用照相機38係黑白照相機，則通常採用0~255個位準的任一個做為濃淡值，若觀察用照相機38係彩色照相機，則通常對於紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)分別採用0~255個位準的任一個。
聚焦狀態判斷部2A算出有關各像素的亮度資料之柱狀圖，基於該柱狀圖判斷聚焦值。
圖6A及圖6B係繪示由亮度資料算出的柱狀圖之一例的圖式。
圖6A係顯示在不對焦狀態的柱狀圖，圖6B係顯示在對焦狀態的柱狀圖。
如圖6A及圖6B所示，柱狀圖係顯示有關構成畫面200的像素之亮度位準的分布狀態，與各亮度位準相關聯，繪製具有該亮度位準之像素數目的圖。另外，圖6A及圖6B所示之柱狀圖係基於一維的亮度位準，在各像素具有紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)之3維的亮度位準的情況中，可使用紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)中之特定顏色的亮度位準，或使用紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)的亮度位準之合計的值，算出柱狀圖。再者，取代各像素的亮度位準之柱狀圖，或者除此之外，也可基於列方向或行方向上鄰接的像素間之亮度位準的差分值算出柱狀圖。
在如此算出的柱狀圖上顯示根據聚焦狀態而不同的特徵。通常，若測量光(觀察光)未聚焦於被測量物上，則算出的柱狀圖顯示相對和緩的波峰(圖6A)。相對的，若測量光(觀察光)聚焦於被測量物上，則算出的柱狀圖顯示相對急峻的波峰(圖6B)。因此，聚焦狀態判斷部2A係基於在柱狀圖上顯示的此等特徵的變化算出聚焦值。
通常，聚焦狀態判斷部2A係基於在柱狀圖上出現的波峰的擴大程度算出聚焦值。更具體而言，聚焦狀態判斷部2A算出亮度資料的柱狀圖並分別取得其峰值PK(a)、PK(b)。然後，聚焦狀態判斷部2A取得柱狀圖的寬度SW(a)、SW(b)，其分別對應於將取得的峰值乘上預定的降低率α所得到的值(αPK(a)、αPK(b))。聚焦狀態判斷部2A係基於此柱狀圖的寬度SW(a)、SW(b)，決定聚焦值。亦即，柱狀圖的寬度SW越小，則聚焦值越大。
在此種聚焦值的計算處理中，雖然可使用畫面200包含的全部像素的亮度資料，不過，最好是根據被測量物的形狀，僅使用在畫面200包含的像素中相當於被預先設定的部分區域的像素之亮度資料。
圖7係在測量具有凸形球面之被測量物的情況中取得的觀察影像的概念圖。
參閱圖7，在透鏡等具有凸形球面的被測量物OBJ的表面上之各點與物鏡40之間的距離係根據表面形狀而不同。在此，在物鏡40係由具有預定倍率的放大透鏡構成的情況中，景深變成相當小(例如，約數十微米)。因此， 在由觀察用照相機38拍照的觀察影像中，僅有預定的範圍成為合焦狀態。
例如，若被測量物OBJ為球面形狀，在畫面200包含的觀察視野80中，只有Z方向的位置係在預定範圍(亦即，景深內)的區域可成為合焦狀態。因此，在被投射的刻線板影像204中，可清楚地觀察相當於區域210(截面內的區域202)的範圍(圖7中之實線部分)，同時以模糊的狀態觀察相當於區域210以外的範圍(圖7中之虛線部分)。
因此，與畫面200的觀察視野80相比，在可對焦的區域小的情況中，最好是使用在畫面200包含的像素中對應於希望對焦的區域之像素的亮度資料，算出聚焦值。亦即，最好是基於在根據從觀察用照相機38輸出的觀察反射光之影像信號中相當於被預先設定的區域220的信號成分算出聚焦值。另外，如上所述，與觀察視野80(亦即，觀察光的光束直徑)相比，由於被設計以使得測量光的照射光斑(亦即，測量光的光束直徑)變小，對於聚焦值的計算，最好是使用在畫面200包含的像素中對應於被測量光照射的區域的像素，或是對應於包含該區域的區域之像素。
參閱圖5，做為一個例子，聚焦狀態判斷部2A係在構成從觀察用照相機38被輸出的影像信號之畫面200的像素中擷取應對焦的區域220所包含的像素，基於此擷取的像素的亮度，算出聚焦值。
另外，關於聚焦值的計算處理，也可使用上述方法以 外的已知方法。
(對焦處理)
如上所述，根據聚焦狀態判斷部2A算出的聚焦值，位置控制部2B沿著光軸AX1調整物鏡40及被測量物之間的距離，亦即，進行在被測量物上之測量光(觀測光)的對焦。
具體而言，位置控制部2B係沿著光軸AX1依序變更物鏡40及被測量物之間的距離(Z方向位置)，同時依序取得在變更後的各位置中被算出的聚焦值，以搜尋使聚焦值成為最大的Z方向位置。
圖8係繪示隨著物鏡40及被測量物之間的距離變化之聚焦值FV的變化特性之一例的圖式。
參閱圖8，當位置控制部2B給予可動機構52載物台位置指令，以沿著光軸AX1改變物鏡40及被測量物之間的距離時，由聚焦狀態判斷部2A算出的聚焦值FV係隨著靠近聚焦位置Mz而變大。然後，在測量光(觀測光)對焦於被測量物上的位置，亦即，在被測量物與透過物鏡40聚光之測量光(觀測光)的成像位置一致的狀態中，聚焦值FV具有極大值。
利用此等特性，位置控制部2B搜尋使聚焦值成為最大之Z方向位置，以進行測量光(觀測光)的對焦。在此，聚焦位置Mz通常係表示從Z方向的基準位置起的距離。
另外，由於做為聚焦值FV的計算對象之Z方向的最小刻線寬度(以下以稱為聚焦解析度)可為比較小，若以此 聚焦解析度為單位搜尋聚焦位置Mz，則取決於搜尋範圍的大小，計算的處理量變成非常多。因此，在以比聚焦解析度大之Z方向的寬度(以下也稱為聚焦搜尋解析度)為單位進行粗略的調整後，最好以聚焦解析度為單位進行微調。另外，聚焦搜尋解析度最好為聚焦解析度的整數倍。
圖9係用以說明有關聚焦位置的搜尋之處理的圖式。
參閱圖9，假定根據載物台50的可動範圍及被測量物的高度等，沿著Z方向之預定的聚焦位置搜尋範圍被預先決定。首先，位置控制部2B為了進行粗略的調整，以聚焦搜尋解析度為單位在Z方向上移動被測量物。在圖9所示的例子中．位置控制部2B在Z方向位置Pr1~Pr6的6個地點上依序移動被測量物(載物台50)。然後，位置控制部2B係在Z方向位置Pr1~Pr6的每一個中取得由聚焦狀態判斷部2A算出的聚焦值FV(Pr1)~FV(Pr6)。其後，擷取在取得的聚焦值FV(Pr1)~FV(Pr6)中成為最大值者。在圖9所示的例子中係顯示在Z方向位置Pr3的聚焦值FV(Pr3)為最大值的情況。
在如此完成粗略調整時，位置控制部2B進行微調。亦即，位置控制部2B係對於以得到最大聚焦值的Z方向位置Pr3為中心之聚焦搜尋解析度的範圍，以聚焦解析度為單位在Z方向上移動被測量物。在圖9所示的例子中，假定聚焦搜尋解析度被設定為聚焦解析度的6倍。在此情況中，位置控制部2B在Z方向位置Pf1~Pf6的6個地點上依序移動被測量物(載物台50)。然後，位置控制部2B 係在Z方向位置Pf1~Pf6的每一個中取得由聚焦狀態判斷部2A算出的聚焦值FV(Pf1)~FV(Pf6)。其後，擷取在取得的聚焦值FV(Pf1)~FV(Pf6)中成為最大值者。在圖9所示的例子中係顯示在Z方向位置Pf5的聚焦值FV(Pf5)為最大值的情況。因此，位置控制部2B將此聚焦值為最大的Z方向位置Pf5判斷為聚焦位置Mz。
如此，利用在粗略調整及微調整的兩個階段中搜尋聚焦位置Mz，可減少被測量物的移動及聚焦值的計算之一系列的作業次數。另外，在圖9所示的例子中，雖然在對聚焦位置搜尋範圍僅以微調整搜尋聚焦位置的情況中需要36次的處理，但在以粗略調整及微調整的兩個階段搜尋聚焦位置Mz的情況中則是以12次的處理即可完成，利用簡單的計算，可將聚焦位置Mz的搜尋時間減低至1/3。
另外，雖然在上述的例子中係例示在2階段中搜尋聚焦位置的結構，也可將搜尋範圍(解析度)切換成更多階段，以更有效率地搜尋聚焦位置。
圖10係繪示使用根據本發明之實施例1的光學特性測量裝置100A的聚焦處理的步驟之流程圖。
參閱圖10，首先，回應於使用者的操作等，觀察用光源22開始產生觀察光(步驟S100)。當此產生的觀察光經由物鏡40入射至被測量物時，在被測量物產生的觀察反射光經由針孔反射鏡32等入射至觀察用照相機38。觀察用照相機38接收此觀察反射光，並開始將根據該觀察反射光之影像信號輸出給控制裝置2(步驟S102)。
控制裝置2的位置控制部2B係將被測量物(載物台50)移動至預先決定之Z方向的初始位置(步驟S104)。控制裝置2的聚焦狀態判斷部2A係基於來自觀察用照相機38的影像信號算出聚焦值(步驟S106)。控制裝置2的位置控制部2B將被算出的聚焦值與該時點的Z方向位置相關聯並加以儲存(步驟S108)。
其後，控制裝置2的位置控制部2B判斷是否對於預定的聚焦位置搜尋範圍完成全部範圍的搜尋(步驟S110)。若對於聚焦位置搜尋範圍未完成全部範圍的搜尋(在步驟S110中為NO)，則控制裝置2的位置控制部2B將被測量物(載物台50)在Z方向上僅移動聚焦搜尋解析度(步驟S112)，並再次實行步驟S106以下的處理。
若對於聚焦位置搜尋範圍完成全部範圍的搜尋(在步驟S110中為YES)，則控制裝置2的位置控制部2B從在上述步驟S108中被儲存的聚焦值中擷取最大值，並決定對應於該最大值的Z方向位置(步驟S114)。上述步驟S104~S114的處理係相當於粗略調整。
其次，控制裝置2的位置控制部2B將以在步驟S114中決定的Z方向位置做為中心的聚焦搜尋解析度的範圍決定為詳細搜尋範圍(步驟S116)。然後，控制裝置2的位置控制部2B係將被測量物(載物台50)移動至在步驟S116中決定的詳細搜尋範圍內的初始位置(步驟S118)。然後，控制裝置2的聚焦狀態判斷部2A係基於來自觀察用照相機38的影像信號算出聚焦值(步驟S120)。控制裝置2的 位置控制部2B將被算出的聚焦值與該時點的Z方向位置相關聯並加以儲存(步驟S122)。
其後，控制裝置2的位置控制部2B判斷是否對於詳細搜尋範圍完成全部範圍的搜尋(步驟S124)。若對於詳細搜尋範圍未完成全部範圍的搜尋(在步驟S124中為NO)，則控制裝置2的位置控制部2B將被測量物(載物台50)在Z方向上僅移動聚焦解析度(步驟S126)，並再次實行步驟S120以下的處理。
若對於詳細搜尋範圍完成全部範圍的搜尋(在步驟S124中為YES)，則控制裝置2的位置控制部2B從在上述步驟S122中被儲存的聚焦值中擷取最大值，並決定對應於該最大值的Z方向位置為聚焦位置(步驟S128)，而結束對焦處理。上述步驟S116~S128的處理係相當於微調整。
透過以上的處理步驟，聚焦位置被決定。
(空間的反曲點的搜尋處理)
除了上述對焦處理之外，控制裝置2的位置控制部2B也可進行搜尋被測量物之空間的反曲點的處理。例如，在被測量物為透鏡等的凸形半球面體的情況等中，在將測量光照射至頂點以外的斜面(側面)時，因為漫反射等造成的測量誤差增加，故最好是將測量光照射至頂點附近。不過，因為由使用者目視搜尋頂點需要勞力及時間，故最好將搜尋自動化。因此，在根據本實施例之光學特性測量裝置100A中，使用下面說明的(1)~(3)等的方法，搜尋被測量物之空間的反曲點。
(1)座標法 座標法係以諸如凸形或凹形之僅具有1個空間的反曲點的被測量物(通常係透鏡等)做為對象的方法。
圖11係用以說明用座標法之空間的反曲點的搜尋處理之圖式。
參閱圖11，說明有關位置控制部2B搜尋凸形的被測量物OBJ的頂點之情況的處理。首先，位置控制部2B係在沿著載物台50上的X方向之複數座標的每一個中實行上述的對焦處理，以取得在各座標的聚焦位置Mz。當取得在X方向的聚焦位置Mz之處理結束時，位置控制部2B在沿著載物台50上的Y方向之複數座標的每一個中實行上述的對焦處理，以取得在各座標的聚焦位置Mz。
其後，位置控制部2B擷取在X方向中使聚焦位置Mz成為最大的座標及在Y方向中使聚焦位置Mz成為最大的座標。然後，位置控制部2B決定擷取的X方向的座標及Y方向的座標之交叉點為被測量物OBJ的頂點(亦即，空間的反曲點)。
同樣地，在搜尋凹形的被測量物OBJ的底點的情況中，在分別沿著X方向及Y方向之複數座標的每一個中進行對焦處理之後，位置控制部2B擷取在X方向中使聚焦位置Mz成為最小的座標及在Y方向中使聚焦位置Mz成為最小的座標。然後，位置控制部2B決定擷取的X方向的座標及Y方向的座標之交叉點為被測量物OBJ的底點(亦即，空間的反曲點)。
另外，在如此搜尋空間的反曲點之後，為了測量該反曲點的光學特性，位置控制部2B在沿著XY平面上移動被測量物OBJ以使測量光及觀察光照射空間的反曲點之後，進一步實行對焦處理。
根據座標法，被測量物必須具有凸形或凹形，不過，即使搜尋次數(取得聚焦位置之處理的次數)少，仍可確實地搜尋空間的反曲點。
圖12係繪示用座標法之空間的反曲點的搜尋處理的步驟之流程圖。
參閱圖12，首先，回應於使用者的操作等，觀察用光源22開始產生觀察光(步驟S200)。當此產生的觀察光經由物鏡40入射至被測量物時，在被測量物產生的觀察反射光經由針孔反射鏡32等入射至觀察用照相機38。觀察用照相機38接收此觀察反射光，並開始將根據該觀察反射光之影像信號輸出給控制裝置2(步驟S202)。
控制裝置2的位置控制部2B接收空間的反曲點之搜尋範圍(步驟S204)，並分別對於X方向及Y方向決定進行對焦處理的座標群(步驟S206)。然後，控制裝置2的位置控制部2B在X方向及Y方向的各座標依序進行對焦。
控制裝置2的位置控制部2B移動被測量物(載物台50)以使得觀測光照射至沿著X方向的座標中之最初的座標(步驟S208)，並取得進行對焦處理的聚焦位置Mz(步驟S210)。然後，控制裝置2的位置控制部2B將取得的聚焦值與該座標相關聯並加以儲存(步驟S212)。另外，雖然 此時的Y方向之座標可任意設定，但最好是預先移動至Y方向上的基準座標(例如，沿著Y方向的座標中之最初的座標)等。
接著，控制裝置2的位置控制部2B判斷被測量物(載物台50)是否到達沿著X方向的座標中之最後的座標(步驟S214)。若被測量物(載物台50)未到達最後的座標(在步驟S214中為NO)，則控制裝置2的位置控制部2B移動被測量物(載物台50)以使得觀測光照射X方向上之下一個座標(步驟S216)，並再次實行步驟S210以下的處理。
若被測量物(載物台50)到達最後的座標(在步驟S214中為YES)，則控制裝置2的位置控制部2B移動被測量物(載物台50)以使得觀測光照射沿著Y方向的座標中之最初的座標(步驟S218)，並取得進行對焦處理的聚焦位置Mz(步驟S220)。然後，控制裝置2的位置控制部2B將取得的聚焦值與該座標相關聯並加以儲存(步驟S222)。另外，雖然此時的X方向之座標可任意設定，但最好是預先移動至X方向上的基準座標(例如，沿著X方向的座標中之最初的座標)等。
其後，控制裝置2的位置控制部2B判斷被測量物(載物台50)是否到達沿著Y方向的座標中之最後的座標(步驟S224)。若被測量物(載物台50)未到達最後的座標(在步驟S224中為NO)，則控制裝置2的位置控制部2B移動被測量物(載物台50)以使得觀測光照射Y方向上之下一個座標(步驟S226)，並再次實行步驟S220以下的處理。
若被測量物(載物台50)到達最後的座標(在步驟S224中為YES)，位置控制部2B擷取在X方向中使聚焦位置Mz為最大(或最小)的座標及在Y方向中使聚焦位置Mz為最大(或最小)的座標(步驟S228)。然後，位置控制部2B將在步驟S228中擷取之X方向的座標及Y方向的座標之交叉點決定為被測量物OBJ之空間的反曲點(步驟S230)。
再者，位置控制部2B沿著XY平面移動被測量物以使得測量光及觀察光照射在步驟S230中決定之空間的反曲點(步驟S232)，且進一步進行對焦處理(步驟S234)。
透過以上的處理步驟，搜尋被測量物OBJ之空間的反曲點。
(2)矩陣法 矩陣法係預先設定包含反曲點的搜尋對象區域，在該搜尋對象區域內之每個預定間隔取得聚焦位置Mz後，計算聚焦位置Mz的近似函數，然後決定空間的反曲點的方法。
圖13係用以說明用矩陣法之空間的反曲點的搜尋處理之圖式。
參閱圖13，首先，位置控制部2B設定在載物台50上之XY平面內的搜尋範圍302。此搜尋範圍302也可由使用者預先設定。位置控制部2B在搜尋範圍302內以預定間隔設定複數個搜尋點。亦即，位置控制部2B使搜尋範圍302成為網狀，並將各網點設定於搜尋點304。另外，在圖13中係顯示設定m列×n行((1,1)~(m,n))的搜尋點 304的情況。
然後，位置控制部2B在各個搜尋點304依序實行上述對焦處理，以取得在各搜尋點304之聚焦位置Mz。其後，位置控制部2B基於在各搜尋點304之聚焦位置Mz，使用2維樣條法等，算出近似函數。亦即，假定座標(x,y)的聚焦位置為Mz(x,y)，位置控制部2B算出近似函數Fa(Mz：x,y)，以使得對Mz(1,1)~Mz(m,n)的剩餘為最小，並將對應於此近似函數Fa(Mz：x,y)的變數x及變數y的反曲點之座標決定為被測量物OBJ之空間的反曲點。
如上所述，在如此搜尋空間的反曲點之後，位置控制部2B為了測量在該反曲點的光學特性，在將被測量物OBJ沿著XY平面上移動以使得測量光及觀察光照射至空間的反曲點之後，進一步實行對焦處理。
根據矩陣法，雖然由於搜尋點比較多而需要時間，但被測量物OBJ所包含的空間的反曲點的數目則未受限制。亦即，即使在被測量物OBJ上包含複數個空間的反曲點的情況中，也可進行搜尋。
圖14係繪示用矩陣法之空間的反曲點的搜尋處理的步驟之流程圖。
參閱圖14，首先，回應於使用者的操作等，觀察用光源22開始產生觀察光(步驟S300)。當此產生的觀察光經由物鏡40入射至被測量物時，在被測量物產生的觀察反射光經由針孔反射鏡32等入射至觀察用照相機38。觀察用照相機38接收此觀察反射光，並開始將根據該觀察反 射光之影像信號輸出給控制裝置2(步驟S302)。
控制裝置2的位置控制部2B對XY平面接收搜尋範圍(步驟S304)，並對搜尋範圍設定複數個搜尋點(步驟S306)。然後，控制裝置2的位置控制部2B如下所述依序取得在各搜尋點的聚焦位置。
控制裝置2的位置控制部2B移動被測量物(載物台50)以使得觀測光照射最初的搜尋點(步驟S308)，並取得進行對焦處理的聚焦位置Mz(步驟S310)。然後，控制裝置2的位置控制部2B將取得的聚焦值與該座標相關聯並加以儲存(步驟S312)。
其後，控制裝置2的位置控制部2B判斷被測量物(載物台50)現在的座標是否係最後搜尋點的座標(步驟S314)。若被測量物(載物台50)現在的座標不是最後搜尋點的座標(在步驟S314中為NO)，則控制裝置2的位置控制部2B移動被測量物(載物台50)以使得觀測光照射下一個搜尋點(步驟S316)，並再次實行步驟S310以下的處理。
若被測量物(載物台50)現在的座標是最後搜尋點的座標(在步驟S314中為YES)，則控制裝置2的位置控制部2B基於與取得的複數聚焦值對應的搜尋點的座標，算出近似函數(步驟S318)。然後，控制裝置2的位置控制部2B算出在已算出的近似函數內的反曲點(步驟S320)，並將對應於算出的反曲點在XY平面上的座標決定為被測量物OBJ之空間的反曲點(步驟S322)。
再者，控制裝置2的位置控制部2B沿著XY平面移動 被測量物以使得測量光及觀察光照射在步驟S322中決定之空間的反曲點(步驟S324)，並且進一步進行對焦處理(步驟S326)。
透過以上的處理步驟，搜尋被測量物之空間的反曲點。
(3)數學的搜尋法 數學的搜尋法係取得在搜尋對象區域內預先設定的初始座標上的聚焦位置Mz，並根據數學演算法從該初始座標起重複地搜尋反曲點的方法。雖然此方法原則上適用於在搜尋對象區域內存在1個反曲點的情況，但因為搜尋點的數目可比較少，故可更高速地搜尋空間的反曲點。
在此種數學搜尋法中，基於算出的聚焦位置等，算出搜尋向量，並根據此搜尋向量，依序決定搜尋點。做為此種搜尋向量的計算方法，雖然有各種演算法被提出，但通常可使用下面的3種演算法。
下坡式單工法(Downhill Simplex Method)(i)鮑威爾法(Powell’s Method)(ii)共軛梯度法(Conjugate Gradient Method)
關於這些演算法的詳細說明，請參閱「NUMERICAL RECIPES IN C：THE ART OF SCIENTIFIC COMPUTING,Cambridge University Press.1988－1992,pp408－425」等。
根據本發明的實施例1，觀察光係被遮蔽以對應於觀 察基準影像並且被照射至被測量物，而在被測量物上被投射觀察基準影像。此觀察光係在被測量物反射並且產生觀察反射光，此觀察反射光包含對應於觀察基準影像的反射影像。由於在對應於此觀察基準影像的反射影像上包含由觀察基準影像造成的濃淡差(對比差)，與被測量物的反射率無關，可正確地判斷在被測量物上之觀察光的聚焦狀態。
相對地，由於測量光及觀察光係經由共通的聚光光學系統照射被測量物，被測量物上的觀察光之聚焦狀態及被測量物上的測量光之聚焦狀態可被視為實質上相同。
因此，即使是反射率相對低的被測量物，基於包含對應於觀察基準影像之反射影像的觀察反射光，可容易地進行對焦。
又，根據本發明之實施例1，在被測量物的複數個點中，取得使聚焦值為最大的聚焦位置，並基於此取得的聚焦位置，搜尋被測量物之空間的反曲點。因此，對具有透鏡等的凸形之被測量物的頂點等，可確實地照射測量光。從而，可更正確地測量球面形狀的被測量物之光學特性。
[實施例2]
在根據上述本發明之實施例1的光學特性測量裝置中，雖然係說明關於在反射光(測量反射光及觀察反射光)的傳播路徑上配置分光器20並注入觀察光的結構，若注入觀察光的位置是在從測量用光源10至做為聚光光學系統的物鏡40之光學路徑上，則其可為任何位置。因此， 在本發明之實施例2中，說明在從測量用光源10至分光器30的光學路徑上注入觀察光的結構。
圖15係根據本發明之實施例2的光學特性測量裝置100B的概略結構圖。
參閱圖15，根據本發明之實施例2的光學特性測量裝置100B係將在圖1所示的光學特性測量裝置100A中之分光器20的位置變更至從測量用光源10至分光器30的光學路徑上，隨著此位置變更，也變更觀察用光源22、光纖24、及出射部26的位置。其他的功能及結構，由於與圖1所示的光學特性測量裝置100A相同，不重複詳細說明。
根據本實施例之光學特性測量裝置100B，來自被測量物的反射光(測量反射光及觀察反射光)僅通過1個分光器30。分光器30通常係由半反射鏡構成。因為半反射鏡理論上的穿透率係如其名稱所指的50%，在通過半反射鏡的前後，其光強度減半(50%)。因此，減低反射光通過的分光器的數目，可抑制入射至分光測量部60的反射光之衰減量。從而，可將在分光測量部60檢測的光譜之SN(Signal to Noise)比維持於更高的狀態。
根據本發明的實施例2，除了透過上述實施例1得到的效果外，可進一步提升測量精度。
雖然已詳細說明本發明，但其僅係用於例示而非限定，應清楚地理解本發明之範圍係由附加的申請專利範圍解釋。
2‧‧‧控制裝置
2A‧‧‧聚焦狀態判斷部
2B‧‧‧位置控制部
10‧‧‧測量用光源
12‧‧‧準直透鏡
14‧‧‧截止濾光器
16、36‧‧‧成像透鏡
18‧‧‧光圈
20、30‧‧‧分光器
22‧‧‧觀察用光源
24‧‧‧光纖
26‧‧‧出射部
26a‧‧‧光罩部
32‧‧‧針孔反射鏡
32a‧‧‧針孔
34‧‧‧軸變換反射鏡
38‧‧‧觀察用照相機
39‧‧‧顯示部
40‧‧‧物鏡
50‧‧‧載物台
52‧‧‧可動機構
60‧‧‧分光測量部
62‧‧‧繞射光柵
64‧‧‧檢測部
66‧‧‧截止濾光器
68‧‧‧快門
70‧‧‧資料處理部
80‧‧‧觀察視野
82‧‧‧陰影部
86‧‧‧反射影像
100A、100B‧‧‧光學特性測量裝置
200‧‧‧畫面
204‧‧‧觀察基準影像(刻線板影像)
302‧‧‧搜尋範圍
304‧‧‧搜尋點
AX1~AX4‧‧‧光軸
OBJ‧‧‧被測量物
圖1係根據本發明之實施例1的光學特性測量裝置的概略結構圖。
圖2係用以更詳細說明將觀察基準影像投射至被測量物的結構之圖式。
圖3係繪示以觀察用照相機拍照之來自被測量物的觀察影像之一例的圖式。
圖4係繪示根據本發明之實施例1的控制裝置的功能結構之方塊圖。
圖5係繪示從觀察用照相機輸出的影像信號的資料構造之圖式。
圖6A及圖6B係繪示由亮度資料算出的柱狀圖之一例的圖式。
圖7係在測量具有凸形球面之被測量物的情況中取得的觀察影像的概念圖。
圖8係繪示隨著物鏡及被測量物之間的距離變化之聚焦值的變化特性之一例的圖式。
圖9係用以說明有關聚焦位置的搜尋之處理的圖式。
圖10係繪示使用根據本發明之實施例1的光學特性測量裝置的聚焦處理的步驟之流程圖。
圖11係用以說明用座標法之空間的反曲點的搜尋處理之圖式。
圖12係繪示用座標法之空間的反曲點的搜尋處理的步驟之流程圖。
圖13係用以說明用矩陣法之空間的反曲點的搜尋處理之圖式。
圖14係繪示用矩陣法之空間的反曲點的搜尋處理的步驟之流程圖。
圖15係根據本發明之實施例2的光學特性測量裝置的概略結構圖。
20、30‧‧‧分光器
24‧‧‧光纖
26‧‧‧出射部
26a‧‧‧光罩部
40‧‧‧物鏡
50‧‧‧載物台
86‧‧‧反射影像
AX1、AX2、AX5‧‧‧光軸
OBJ‧‧‧被測量物

Claims (10)

  1. 一種光學特性測量裝置，包括：測量用光源，產生包含對被測量物之測量範圍的波長之測量光；觀察用光源，產生包含可在前述被測量物反射的波長之觀察光；聚光光學系統，被入射前述測量光及前述觀察光，並將入射的光聚光；調整機構，可變更前述聚光光學系統及前述被測量物之間的位置關係；光注入部，在由前述測量用光源起至前述聚光光學系統的光學路徑上的預定位置中注入前述觀察光；光罩部，在由前述觀察用光源起至前述光注入部的光學路徑上的預定位置中，遮蔽前述觀察光的一部分，以投射觀察基準影像；針孔反射鏡，將在前述被測量物產生的反射光分離成測量反射光及觀察反射光；聚焦狀態判斷部，基於對應前述觀察反射光包含的前述觀察基準影像之反射影像，判斷前述被測量物上之前述測量光的聚焦狀態；及位置控制部，根據前述聚焦狀態的判斷結果，控制前述調整機構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光學特性測量裝置，更包括照相部，接收前述觀察反射光，並輸出根據該 觀察反射光的影像信號；前述聚焦狀態判斷部係基於來自前述照相部的前述影像信號輸出顯示前述聚焦狀態的值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的光學特性測量裝置，其中，前述聚焦狀態判斷部係基於根據前述觀察反射光的影像信號中相當於被預先設定的區域之信號成分輸出顯示前述聚焦狀態的值。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的光學特性測量裝置，其中，前述調整機構被構成以可沿著前述測量光的光軸移動前述被測量物；前述位置控制部係沿著前述光軸調整前述聚光光學系統及前述被測量物之間的距離，以使得顯示前述聚焦狀態的值成為最大。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的光學特性測量裝置，其中，前述調整機構被構成以可再沿著與前述光軸正交的平面移動前述被測量物；前述位置控制部，關於前述平面上的複數座標的每一個，取得使顯示前述聚焦狀態的值成為最大之前述被測量物的前述光軸方向的位置以做為各座標的聚焦位置，且基於取得之複數個前述聚焦位置，搜尋前述被測量物之空間的反曲點。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的光學特性測量裝置，其中，前述位置控制部分別取得關於沿著前述平面上的第1方向的複數座標取得複數前述聚焦位置，同時分別 關於沿著前述平面上之與第1方向正交的第2方向的複數座標取得複數前述聚焦位置，再基於在前述第1及第2方向的各個中使得前述聚焦位置成為最大值及最小值之一的座標，決定前述被測量物之空間的反曲點。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的光學特性測量裝置，其中，前述位置控制部在沿著前述平面移動前述被測量物以使得前述測量光及前述觀察光被照射至前述空間的反曲點之後，進一步沿著前述光軸調整前述聚光光學系統及前述被測量物之間的距離，以使得顯示前述聚焦狀態的值成為最大。
  8. 如申請專利範圍第2項所述的光學特性測量裝置，其中，前述照相部將對應於被行列狀配置的複數像素的每一個之前述觀察反射光的亮度資料輸出做為前述影像信號；前述聚焦狀態判斷部係基於對應各像素的亮度資料的柱狀圖輸出顯示前述聚焦狀態的值。
  9. 一種調焦方法，在光學特性測量裝置中之調焦方法，前述光學特性測量裝置係包括：測量用光源，產生包含對被測量物之測量範圍的波長之測量光；觀察用光源，產生包含可在前述被測量物反射的波長之觀察光；聚光光學系統，被入射前述測量光及前述觀察光，並將入射的光聚光； 調整機構，可變更前述聚光光學系統及前述被測量物之間的位置關係；光注入部，在由前述測量用光源起至前述聚光光學系統的光學路徑上的預定位置中注入前述觀察光；光罩部，在由前述觀察用光源起至前述光注入部的光學路徑上的預定位置中，遮蔽前述觀察光的一部分，以投射觀察基準影像；及針孔反射鏡，將在前述被測量物產生的反射光分離成測量反射光及觀察反射光；前述調焦方法係包括：由前述觀察用光源開始產生前述觀察光的步驟；基於對應前述觀察反射光包含的前述觀察基準影像之反射影像，判斷前述被測量物上之前述測量光的聚焦狀態的步驟；及根據前述聚焦狀態的判斷結果，控制前述調整機構的步驟。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的調焦方法，其中，前述光學特性測量裝置更包括照相部，接收前述觀察反射光，並輸出根據該觀察反射光的影像信號；前述調整機構係被構成而可沿著前述測量光的光軸移動前述被測量物；前述判斷聚焦狀態的步驟係包含基於來自前述照相部的前述影像信號輸出顯示前述聚焦狀態的值的步驟；及前述控制調整機構的步驟係包含沿著前述光軸調整 前述聚光光學系統及前述被測量物之間的距離，以使顯示前述聚焦狀態的值成為最大的步驟。
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Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5424064B2 (ja) * 2008-07-09 2014-02-26 株式会社ニコン 測定装置
JP5472675B2 (ja) * 2009-02-03 2014-04-16 アイシン精機株式会社 非接触膜厚測定装置
JP2010216864A (ja) * 2009-03-13 2010-09-30 Olympus Corp 測光装置
DE102009043745A1 (de) * 2009-09-30 2011-04-07 Carl Zeiss Microlmaging Gmbh Spektraldetektor mit variabler Filterung durch räumliche Farbtrennung und Laser-Scanning- Mikroskop
JP5385206B2 (ja) * 2010-04-20 2014-01-08 オリンパス株式会社 測光装置
US10393997B2 (en) * 2015-02-18 2019-08-27 Abbott Laboratories Methods, systems and devices for automatically focusing a microscope on a substrate
KR101850363B1 (ko) * 2016-02-16 2018-04-20 주식회사 이오테크닉스 촬영장치 및 촬영방법
CN105629630A (zh) * 2016-02-29 2016-06-01 广东欧珀移动通信有限公司 控制方法、控制装置及电子装置
CN105549299B (zh) * 2016-02-29 2020-05-01 Oppo广东移动通信有限公司 控制方法、控制装置及电子装置
KR101993670B1 (ko) * 2016-03-17 2019-06-27 주식회사 이오테크닉스 촬영 방법 및 촬영 방법을 이용한 대상물 정렬 방법
JP7142419B2 (ja) * 2017-05-01 2022-09-27 浜松ホトニクス株式会社 光計測制御プログラム、光計測システム及び光計測方法
EP3418789A1 (de) 2017-06-20 2018-12-26 Euroimmun Medizinische Labordiagnostika AG Verfahren und mikroskopiesystem zum aufnehmen eines bildes
KR102500640B1 (ko) * 2018-03-02 2023-02-15 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 로의 제어 방법
US10146041B1 (en) * 2018-05-01 2018-12-04 Nanotronics Imaging, Inc. Systems, devices and methods for automatic microscope focus
CN109521582B (zh) * 2018-12-05 2021-04-13 北京控制工程研究所 一种光学镜头光轴表征方法、系统以及成像组件对准方法
CN111457843B (zh) * 2019-04-26 2021-07-30 上海微电子装备（集团）股份有限公司 位移测量装置、位移测量方法及光刻设备
KR102516003B1 (ko) * 2021-10-25 2023-03-30 주식회사 팍스웰 형광 및 흡광을 동시에 관찰하는 광학 시스템

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4945220A (en) * 1988-11-16 1990-07-31 Prometrix Corporation Autofocusing system for microscope having contrast detection means
US6974938B1 (en) * 2000-03-08 2005-12-13 Tibotec Bvba Microscope having a stable autofocusing apparatus
US7297910B2 (en) * 2005-12-30 2007-11-20 General Electric Company System and method for utilizing an autofocus feature in an automated microscope

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3377814D1 (en) * 1982-06-05 1988-09-29 Olympus Optical Co An optical system focus-state detector
JPH0672975B2 (ja) * 1986-07-02 1994-09-14 富士通株式会社 自動焦点合わせ方法
US5003166A (en) * 1989-11-07 1991-03-26 Massachusetts Institute Of Technology Multidimensional range mapping with pattern projection and cross correlation
JPH075367A (ja) * 1992-06-25 1995-01-10 Shimadzu Corp 赤外顕微鏡
WO1996012981A1 (en) * 1994-10-21 1996-05-02 Kla Instruments Corporation Autofocusing apparatus and method for high resolution microscope system
JPH1054793A (ja) * 1996-08-09 1998-02-24 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 分光反射光量測定装置
JPH10122823A (ja) * 1996-08-27 1998-05-15 Olympus Optical Co Ltd 位置合せ方法およびこの方法を用いた高さ測定装置
DE10021379A1 (de) * 2000-05-02 2001-11-08 Leica Microsystems Optische Messanordnung insbesondere zur Schichtdickenmessung
JP5019279B2 (ja) * 2005-10-07 2012-09-05 オリンパス株式会社 共焦点顕微鏡及び合焦カラー画像の生成方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4945220A (en) * 1988-11-16 1990-07-31 Prometrix Corporation Autofocusing system for microscope having contrast detection means
US6974938B1 (en) * 2000-03-08 2005-12-13 Tibotec Bvba Microscope having a stable autofocusing apparatus
US7297910B2 (en) * 2005-12-30 2007-11-20 General Electric Company System and method for utilizing an autofocus feature in an automated microscope

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