TWI699523B - 光學特性檢測裝置及光學系統 - Google Patents

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TWI699523B
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Abstract

提供可小型化、通用性提高的光學特性檢測裝置。光學特性檢測裝置包括轉換來自被檢測物之檢測光為平行光的第1光學元件、反射來自第1光學元件之平行光以轉換為收斂光的反射型鏡、接受來自反射型鏡之收斂光的受光部以及改變第1光學元件相對於被檢測物之相對位置的驅動機構。

Description

光學特性檢測裝置及光學系統
本技術係關於用於檢測被檢測物之光學特性的光學特性檢測裝置以及用於此的光學系統。
作為檢測被檢測物之光學特性的光學特性檢測裝置的一例，已知有顯微分光裝置。顯微分光裝置藉由分光量測來自任何被檢測物的光，輸出該被檢測物的例如反射率或折射率、衰減係數、膜厚的光學特性。特開2008-286583號公報，作為顯微分光裝置的一例，揭示提升光學特性檢測精確度的同時可更容易進行對被檢測物之聚焦的光學特性檢測裝置。
特開2008-286583號公報所揭示的光學特性檢測裝置，具有被稱為有限鏡筒型的顯微鏡構造。另一方面，已知有被稱為無限鏡筒型的顯微鏡構造。作為採用此種無限鏡筒型之顯微鏡的構成，特開平11-249027號公報，揭示可自動進行觀測樣本的測針(pin)位置調整的自動對焦顯微鏡。
特開平11-249027號公報所揭示的自動對焦顯微鏡，推測有細微材料的觀測以及觀測像的動態影像攝影等用途，但不可用作需要檢測可見光域加上紅外光域與紫外光域中 之光學特性的光學特性檢測裝置。
本技術之目的在於提供可小型化且通用性提高的光學特性檢測裝置。
根據本發明一方面的光學特性檢測裝置，包括轉換來自被檢測物之檢測光為平行光的第1光學元件、反射來自第1光學元件之平行光以轉換為收斂光的反射型鏡、接受來自反射型鏡之收斂光的受光部、改變第1光學元件相對於被檢測物之相對位置的驅動機構。
光學特性檢測裝置可包括配置於第1光學元件與反射型鏡之間之光學路徑上、反射來自第1光學元件之平行光以改變傳播方向的第2光學元件。
第1光學元件可包括配置為其各自的中心軸與平行光之光軸一致的凸面反射鏡以及凹面反射鏡的組。
第1光學元件可包括相對應反射型鏡配置的曲面鏡，以及，與該曲面鏡組合的轉向鏡。
受光部可輸出自上述反射型鏡接受之光所包含的波長光譜。
光學特性檢測裝置可更包括產生照射至被檢測物之檢測光的第1光源、配置於從反射型鏡至受光部為止之光學路徑上並同時與第1光源光學性地連接的分光器。
光學特性檢測裝置可更包括產生至少包含可視光域為波長成分之觀測光的第2光源，其中，第1光源產生包含待從被檢測物檢測之光學特性所對應的波長成分的檢測光。
光學特性檢測裝置可更包括觀測照射至被檢測物 之檢測光的像的觀測單元。
光學特性檢測裝置可更包括基於觀測單元所觀測之像的清晰度驅動驅動機構，以決定第1光學元件相對於被檢測物之相對位置的控制單元。
根據本發明另一方面的光學系統包括轉換來自被檢測物之檢測光為平行光的第1光學元件、反射來自第1光學元件之平行光以轉換為收斂光的反射型鏡、接受來自反射型鏡之收斂光的受光部。
本發明的上述以及其他目的、特徵、方面與優點，可從結合所附圖式理解的關於本發明的下列詳細說明得知。
2‧‧‧樣本光
4‧‧‧平行光
6‧‧‧收斂光
10‧‧‧頭部
12‧‧‧物鏡
13、14‧‧‧反射物鏡
13a‧‧‧凸面反射鏡
13b‧‧‧凹面反射鏡
14a、20、40‧‧‧曲面鏡
14b、21‧‧‧轉向鏡
22、24、42‧‧‧分光器
26‧‧‧成像鏡
28‧‧‧攝像機
30、32‧‧‧檢測光源
34‧‧‧觀測光源
44‧‧‧切換鏡
46‧‧‧孔徑
50‧‧‧資訊處理裝置
52‧‧‧位置控制器
54‧‧‧驅動機構
60‧‧‧光譜儀
100A~100F‧‧‧檢測裝置
200A、200B‧‧‧影像
AX1‧‧‧光軸
S1~S9、S11~S19、S21、S26、S100~S103‧‧‧步驟
SMP‧‧‧樣本
第1圖係表示根據實施型態之檢測裝置的裝置構成示意圖。
第2圖係表示根據實施型態變形例1之檢測裝置的裝置構成示意圖。
第3圖係表示第2圖所示之檢測裝置採用的反射物鏡的夠成例示意圖。
第4圖係表示根據實施型態1變形例2之檢測裝置的裝置構成示意圖。
第5圖係表示根據實施型態2之檢測裝置的裝置構成示意圖。
第6圖係表示根據實施型態2變形例1之檢測裝置的裝置構成示意圖。
第7圖係表示根據實施型態2變形例2之檢測裝置的裝置構成示意圖。
第8圖係表示使用根據本實施型態之檢測裝置的檢測程序例的流程圖。
第9圖係表示從根據本實施型態之檢測裝置照射至樣本的檢測光的狀態例的圖。
第10圖係表示根據本實施型態之檢測裝置中物鏡位置與對比值間的關係例的圖。
第11圖係用於說明根據本實施型態之檢測裝置的對焦調整方法(其1)的時間圖。
第12圖係表示根據本實施型態之檢測裝置的對焦調整方法(其1)中所取得的經過時間與物鏡位置間的關係的圖。
第13圖係表示根據本實施型態之檢測裝置中的對焦調整方法(其1)的處理程序的流程圖。
第14圖係表示根據本實施型態之檢測裝置的對焦調整方法(其2)的處理程序的流程圖。
第15圖係用於說明根據本實施型態之檢測裝置的焦點位置搜尋程序的示意圖。
第16圖係表示根據本實施型態之檢測裝置的光學路徑調整程序的流程圖。
第17圖係表示根據本實施型態之檢測裝置的物鏡位置為不同複數值下取得的各波長相對反射率的檢測結果例。
第18圖係表示根據本實施型態之檢測裝置在執行對焦調整後檢測的反射率光譜的檢測結果例。
關於本發明的實施型態，係參照圖式詳細說明。另 外，圖中相同或相當的部分會標示相同符號且不重複其說明。
<A.構成的概要>
首先，說明根據本實施型態之光學特性檢測裝置(以下亦簡稱為「檢測裝置」)所採用的構成概要。
根據本實施型態之檢測裝置採用無限鏡筒型的顯微鏡構造。相較於有限鏡筒型的顯微鏡使用1個物鏡形成被檢測物(以下亦稱為「樣本」)的像，無限鏡筒型的顯微鏡使用物鏡與成像鏡的一組鏡形成樣本的像。成像鏡亦稱為管鏡(tube lens)。物鏡與成像鏡之間，係傳播對焦於無限遠的平行光。物鏡與成像鏡的組合，亦稱為無限遠校正光學系統。
無限鏡筒型的顯微鏡，相較於有限鏡筒型的顯微鏡，具有可自由設計一組鏡之間的距離的優點。例如，具有可在鏡間插入半鏡、濾波器等的各種光學元件，並且，軸向位移等變形可藉由最佳化鏡間的位置關係而校正的優點。
根據本實施型態之檢測裝置，採用轉換來自樣本之樣本光為平行光的光學元件以及反射來自該光學元件之平行光以轉換為收斂光的反射型鏡(典型為曲面鏡)組合而成的光學系統，以實現可小型化且通用性提高的無限鏡筒型顯微鏡。根據本實施型態之檢測裝置，由於將反射型鏡用於平行光與收斂光之間的轉換，可減低或避免使用折射型鏡時發生的色差，而可在廣波長範圍內進行檢測或觀測。
以下，說明根據本實施型態的一些具體實施例。以下說明的一些示意圖中，雖然為了說明上的方便而2維地繪製裝置構成，但實際上可為3維的配置。藉由3維地配置構成 元件，可實現檢測裝置整體的小型化。
作為樣本的代表例，舉例有在半導體基板、玻璃基板、藍寶石基板、石英基板、膜層(film)等的表面形成(塗佈)薄膜者。更具體而言，薄膜形成的玻璃基板，係作為液晶顯示器(LCD：Liquid Crystal Display)或電漿顯示面板(PDP：Plasma Display Panel)等平板顯示器(FPD：Flat Panel Display)的一部分使用。另外，薄膜形成的藍寶石基板，係作為氮化物半導體(GaN：Gallium Nitride)系的LED(Light Emitting Diode)或LD(Laser Diode)使用。另外，薄膜形成的石英基板，係使用於各種光學濾波器或光學部件以及投影液晶等。
<B.實施型態>
參照第1圖以說明根據實施型態1之檢測裝置100A的裝置構成。檢測裝置100A，取得來自樣本SMP之樣本光，輸出樣本SMP的反射率或折射率、衰減係數、膜厚等光學特性。
檢測裝置100A，作為檢測來自樣本SMP之樣本光的構成，包括具備物鏡12的頭部10、曲面鏡20、分光器(beam splitter)22和24、成像鏡26、攝像機28、光譜儀60。
物鏡12相當於將來自樣本SMP之樣本光2轉換為平行光4的光學元件。當來自樣本SMP之放射狀樣本光2入射至物鏡12，則作為平行光4出射。作為物鏡12，可採用反射型鏡以及折射型鏡任一者。但是，為了抑制色差的發生，較佳為反射型鏡。來自物鏡12的平行光4入射至配置於光學路徑上的曲面鏡20。
曲面鏡20相當於反射來自物鏡12的平行光4以將其轉換為收斂光6的反射型鏡。意即，曲面鏡20功能上係 作為成像鏡。自曲面鏡20出射的收斂光6的一部分，通過分光器22以及24並入射至配置於光學路徑上的光譜儀60。藉由在曲面鏡20處改變傳播方向，調整光學路徑，以使得構成入射光之光學路徑的光學組件與構成反射光之光學路徑的光學組件不互相干擾。作為將平行光轉換為收斂光的曲面鏡20，可採用球面鏡，亦可採用非球面鏡。藉由採用非球面鏡，可抑制像散以防止像位移的發生。
光譜儀60相當於接受來自曲面鏡20之收斂光6(樣本光)的受光部。光譜儀60輸出接受自曲面鏡20之光所包含的波長頻譜。更具體而言，光譜儀60，包括用於將入射光分離為各波長成分的繞射光柵以及用於檢測繞射光柵所分離的每一波長成分的檢出元件(光二極體陣列、CCD(Charged Coupled Device)等)。
自曲面鏡20出射的收斂光6的另一部分，通過分光器22並且由分光器24變更其傳播的光學路徑，以通過成像鏡26並入射至攝像機28。
攝像機28為取得根據來自樣本SMP之樣本光2而得之觀測像的攝像部。觀測照射至樣本SMP之檢測光的像。更具體而言，攝像機28由CCD影像感測器或COMS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)影像感測器構成。可設置用於顯示攝像機28所取得之觀測像的顯示部。
檢測裝置100A更包括改變物鏡12相對於樣本SMP之相對位置的驅動機構54。驅動機構54，與具備物鏡12之頭部10連接，在與平行光4之傳播方向平行的方向上移動 頭部10。由於在物鏡12與曲面鏡20之間傳播的光為平行光，即使由驅動裝置54改變物鏡12相對於樣本SMP之相對位置，對樣本光入射至光譜儀60以及攝像機28的狀態的影響仍可忽視。另一方面，藉由改變物鏡12相對於樣本SMP之相對位置，可將物鏡12的焦點位置(成像位置)設定至任意位置。
藉此，由於在物鏡12與曲面鏡20之間傳播的是平行光，即使對此平行光改變物鏡12的距離，仍可在維持光學狀況下調整樣本SMP與物鏡12的位置。意即，根據實施型態1之檢測裝置100A，藉由改變頭部10相對於樣本SMP的相對位置，可將焦點聚焦至任意位置，即使在檢測相對大之樣本SMP的情況下，亦不需要採用大型調整機構等。
位置控制器52，基於攝像機28所取得之觀測像的資訊，調整物鏡12相對於樣本SMP的相對位置。意即，位置控制器52，基於來自攝像機28的資訊，對驅動裝置54給予位置指令。關於位置的具體調整方法，將於後述。
資訊處理裝置50，基於來自光譜儀60的檢出結果(波長頻譜)進行各種數值分析處理(典型為擬合(fitting)處理與雜訊去除處理)，算出並儲存樣本SMP的反射率、折射率、衰減係數、膜厚等光學特性。
在樣本SMP為發光體等的情況下，雖然不需要對樣本SMP照射照明光，但在檢測基板等的光學特性的情況下，有必要照射包括預定波長成分之光並將其反射光作為樣本光取得。作為此種對樣本SMP照射光的構成，包括檢測光源30和32、觀測光源34、曲面鏡40、分光器42、孔徑46。
檢測光源30以及檢測光源32產生照射至樣本SMP的檢測光。檢測光包括待從樣本SMP檢測之光學特性所對應的波長成分。例如，可以是檢測光源30產生包括紅外光域之波長成分的第1檢測光，且檢測光源32產生包括紫外光域之波長成分的第2檢測光。檢測光源30以及檢測光源32，例如，由氘燈與氙燈等電弧發光的光源、如鹵素燈之燈絲發光的光源、或其組合構成。
但是，準備2種類的檢測光源並非必要，也可以僅設置單一檢測光源。在僅設置單一檢測光源的情況下，可例如，將白色光源作為檢測光源採用的同時，組合使待檢測之光學特性所對應的波長成分穿透的光學濾波器。
由如根據本實施型態之檢測裝置100A的顯微分光裝置檢測來自樣本SMP的反射光譜的情況下，檢測光聚焦至樣本SMP的狀態以及檢測光之聚焦位置離樣本SMP相當遠的狀態(焦點相當模糊的狀態)的任一者皆為佳。在上述任何一者的狀態中，有可能在不受最聚焦之影響下進行合適的量測。
在將檢測光聚焦至樣本SMP的情況下，使用電弧發光之檢測光源的同時，使用曲面型的反射鏡對孔徑成像。相對於此，檢測光之聚焦位置離樣本SMP相當遠的情況下，使用燈絲發光之光源，在相當模糊的位置，用平面鏡或半鏡成像。為了任意改變這樣的聚焦狀態，檢測光源30以及檢測光源32的種類可不同。
採用折射型鏡的習知構成，受色差的影響，不可在廣波長之全域中於特定狀態成像，但根據實施型態1之檢測裝置100A，由於減低色差，在長波長側以及短波長側的任一者皆可實現目標的成像狀態。
檢測光源30產生的檢測光，由曲面鏡40反射，通過分光器42以及孔徑46，入射至分光器22。檢測光源32產生的檢測光，由分光器42變更傳播的光學路徑，通過孔徑46，入射至分光器22。
來自檢測光源30的檢測光及/或來自檢測光源32的檢測光，由分光器22改變傳播的光學路徑，通過曲面鏡20以及物鏡12，入射至樣本SMP，意即，檢測光以相反方向傳播於與來自樣本SMP之檢測光相同的光學路徑。另外，檢測光源30以及檢測光源32皆產生檢測光的情況下，由分光器42混合兩檢測光。
分光器22，在配置於自反射型鏡之曲面鏡20至光譜儀60為止的光學路徑上的同時，與光源(檢測光源30以及32)光學性地連接。
孔徑46，調整來自檢測光源30的檢測光及/或來自檢測光源32的檢測光的光束徑。
孔徑46，為了在取得來自樣本SMP之樣本光以檢測光譜(反射光譜)時成像持有必要寬度(徑)的檢測光，調整來自檢測光源30的檢測光及/或來自檢測光源32的檢測光的光束尺寸。另一方面，當調整檢測光的成像尺寸至適合光譜檢測的光束尺寸時，變成難以觀測作為顯微鏡所必要的視野。在此，採用除了檢測光以外更可照射用於以較廣視野觀測樣本SMP的觀測光的構成。
具體而言，根據實施型態1之檢測裝置100A，包括產生至少涵括可見光域為波長成分之觀測光的觀測光源34。攝像機28，可構成為具有對觀測光的檢出靈敏度。另外，可設置用於切換來自孔徑46之狹視野的檢測光與廣視野的觀測光的切換鏡 44。然後，具有是否在分光器22與孔徑46之間之光學路徑插入切換鏡44的機構。例如，可使用電磁線圈致動器等驅動切換鏡44。
當在分光器22與孔徑46之間之光學路徑插入切換鏡44時，來自觀測光源34的觀測光由切換鏡44變更光學路徑而入射至分光器22。然後，觀測光由分光器22變更傳播的光學路徑，通過曲面鏡20以及物鏡12，入射至樣本SMP。如此一來，來自觀測光源34的觀測光也以相反方向傳播於與來自樣本SMP之檢測光相同的光學路徑。
作為一般的使用型態，首先，調整物鏡12相對於樣本SMP的焦點位置，接著，開始取得以及檢測來自樣本SMP之檢測光。在最初的焦點位置調整時，有必要照射觀測光至樣本SMP。在此，孔徑46與分光器22之間的光學路徑上，配置切換鏡44，將來自觀測光源34的觀測光導至樣本SMP。當焦點位置的調整結束時，移動切換鏡44，將來自檢測光源30及/或檢測光源32的檢測光導至樣本SMP。如此一來，切換鏡44構成為可沿著自觀測光源34照射觀測光之光軸變更其位置。
取代切換鏡44，亦可採用固定於預定位置的分光器或半鏡。但是，構成為可插入或退出切換鏡44地採用分光器或半鏡，可增大照射至樣本SMP之檢測光的光量。另外，檢測時不需要每次開/關控制觀測光源34，並且，觀測樣本SMP時檢測光也不會變成妨礙。
由於檢測光係用於如後所述的對焦調整且觀測光係用於樣本SMP的觀測，即使觀測像因觀測光變模糊，但因為不會影響檢測光的成像，使用檢測光檢測時，仍可更清晰地檢出樣本SMP。
根據實施型態1之檢測裝置100A，因採用在收斂光與平行光間相互轉換的反射型鏡(曲面鏡)，可避免使用折射型鏡時所伴隨的色差發生，因此，不會像習知有限鏡筒型之顯微鏡一樣可觀測之波長域被限制於可見光域。意即，根據本實施型態之檢測裝置100A，不只可見光域，即使是紫外光域與紅外光域，仍可減低色差之影響地使用。因此，可以進行包括紫外光域、可見光域、紅外光域之廣波長範圍下的光譜(典型為反射光譜)檢測以及根據對所檢測之光譜等的數值分析而量測光學特性。
<C.實施型態1之變形例1>
上述根據實施型態1之檢測裝置100A中，雖例示將折射型鏡用作物鏡12的構成，但取代此，也可使用反射物鏡。
參照第2圖以說明根據實施型態1變形例1之檢測裝置100B的裝置構成。第3圖中，表示第2圖所示之檢測裝置100B所採用的反射物鏡的構成例。
第2圖所示之檢測裝置100B，相較於第1圖所示之檢測裝置100A，不同點為採用包括反射物鏡13的頭部10。除此以外的構成皆與第1圖所示之檢測裝置100A相同，因此不重複詳細說明。
參照第2圖以及第3圖，在實施型態1之變形例1中，作為典型的例子，表示採用卡賽格林(Cassegrain)型反射物鏡13的例子。具體而言，反射物鏡13包括與互相組合的凸面反射鏡13a與凹面反射鏡13b。藉由採用卡賽格林型的反射物鏡13，不只物鏡處的色差不會發生，還可實現具有高倍率、小型化、長工作距離等優點的反射光學系統。
取決於樣本SMP的種類，儘管有聚焦於樣本SMP的表面，仍有來自樣本SMP背面之反射光作為雜散光出現而使檢測精確度變差的情況。例如，樣本SMP為僅有奈米單位之厚度的薄膜等的情況等。在這種情況下，較佳為使用焦點深度淺的卡賽格林型反射物鏡13。
凸面反射鏡13a與凹面反射鏡13b係配置為其兩者的中心軸皆與光軸AX1一致。凸面反射鏡13a反射在光軸AX1上傳播的檢測光及/或觀測光的一部分以導至凹面反射鏡13b。凹面反射鏡13b為同心圓狀的鏡。凹面反射鏡13b將凸面反射鏡13a所反射的檢測光及/或觀測光聚光至樣本SMP。另外，來自樣本SMP之樣本光以相反方向傳播於與入射光學路徑相同的光學路徑。
更詳細而言，參照第3圖，凸面反射鏡13a僅將沿著光軸AX1入射之光(檢測光及/或觀測光)當中入射至垂直光軸AX1之橫截面上離光軸AX1預定半徑距離r以上之區域的光導至凹面反射鏡13b。相對於此，入射至離光軸AX1未滿預定半徑距離r之區域的光，換言之，入射至光軸AX1附近區域的光，不會被導至凹面反射鏡13b。意即，只有入射至離凸面反射鏡13a之光軸AX1預定半徑距離r以上之區域的檢測光及/或觀測光會照射至樣本SMP。為此，入射至樣本SMP途中的光的光束橫截面變成其中心部分被遮蔽的同心圓狀(圈餅狀)。藉由使用具有這樣同心圓狀之光束橫截面的光，可避免在樣本SMP背面反射而產生的背面反射光(雜散光)的影響。
根據實施型態1變形例1之檢測裝置100B中，因 用反射光學系統實現自樣本SMP至分光器60為止的光學路徑，實質上不會受到色差的影響，可以進行包括紫外光域、可見光域、紅外光域之廣波長範圍下的光譜檢測以及根據對所檢測之光譜等的數值分析而量測光學特性。
<D.實施型態1之變形例2>
上述根據實施型態1變形例1之檢測裝置100B中，雖例示採用卡賽格林型為反射物鏡的構成，但也可以使用其他種類的反射物鏡。
參照第4圖以說明根據實施型態1變形例2之檢測裝置100C的裝置構成。第4圖所示之檢測裝置100C，相較於第1圖所示之檢測裝置100A，不同點為採用包括反射物鏡14的頭部10。除此以外的構成皆與第1圖所示之檢測裝置100A相同，因此不重複詳細說明。
更具體而言，根據實施型態1變形例2之檢測裝置100C，表示採用軸偏移反射物鏡之反射物鏡14的例子。反射物鏡14由組合曲面鏡14a與轉向鏡14b所構成。曲面鏡14a係相對應曲面鏡20地配置，同時，具有藉由反射來自樣本SMP之樣本光2以將其轉換為平行光的反射型鏡的功能。轉向鏡14b為使得構成曲面鏡14a反射前後所存在之光學路徑的光學組件不互相干擾而調整光學路徑。如此一來，藉由採用軸偏移反射物鏡，不只物鏡處的色差不會發生，還可實現具有低倍率、長工作距離、長焦點深度等優點並簡化構成的反射光學系統。
軸偏移反射物鏡，由於焦點深度深，可對樣本SMP從表面到背面之整體聚合焦點。因此，可對應至從奈米單位到 微米單位的幅度廣之寬度的樣本SMP。
<E.實施型態2>
上述根據實施型態1之檢測裝置100A中，雖例示物鏡12以及曲面鏡20配置於相同光軸上的構成，但取代此，也可採用更適合小型化的構成。
參照第5圖以說明根據實施型態2之檢測裝置100D的裝置構成。第5圖所示之檢測裝置100D，相較於第1圖所示之檢測裝置100A，不同點為在物鏡12與曲面鏡20之間的光學路徑上更配置轉向鏡21。除此以外的構成皆與第1圖所示之檢測裝置100A相同，因此不重複詳細說明。
轉向鏡21藉由反射來自物鏡12的平行光而改變傳播方向。入射至轉向鏡21的平行光由轉向鏡21反射並保持平行光。因此，會維持無限鏡筒型的構成。
第5圖中，雖例示配置1個轉向鏡21的構成，但如果需要，可配置複數個轉向鏡。特別是，由於從物鏡12至曲面鏡20為止的光學路徑中樣本光係作為平行光傳播，只要轉向鏡處的反射所導致的衰減在容許的範圍內，不會因光學路徑長的限制等限制轉向鏡的數目。
藉由採用第5圖所示之轉向鏡21，可更自由地設計物鏡12、曲面鏡20、分光器60的配置位置等。因此，對應檢測裝置100D的用途等，可實現更適當的佈局。
<F.實施型態2之變形例1>
上述根據實施型態2之檢測裝置100D中，雖例示將折射型鏡用作物鏡12的構成，但取代此，也可使用反射物 鏡。參照第6圖以說明根據實施型態2變形例1之檢測裝置100E的裝置構成。第6圖所示之檢測裝置100E，相較於第5圖所示之檢測裝置100D，不同點為採用包括反射物鏡13的頭部10。除此以外的構成皆與第5圖所示之檢測裝置100D相同，因此不重複詳細說明。另外，關於反射物鏡13，由於已參照第2圖以及第3圖說明，在此不重複詳細說明。
<G.實施型態2之變形例2>
上述根據實施型態2變形例1之檢測裝置100E中，雖例示採用卡賽格林型為反射物鏡的構成，但也可以使用其他種類的反射物應。
參照第7圖以說明根據實施型態2變形例2之檢測裝置100F的裝置構成。第7圖所示之檢測裝置100F，相較於第5圖所示之檢測裝置100D，不同點為採用包括反射物鏡14的頭部10。除此以外的構成皆與第5圖所示之檢測裝置100D相同，因此不重複詳細說明。另外，關於反射物鏡14，由於已參照第4圖說明，在此不重複詳細說明。
<H.檢測程序>
接著，參照第8圖以說明使用根據本實施型態之檢測裝置100A~100F(以下亦總稱為「檢測裝置100」)的檢測程序。
首先，使用者或樣本裝載裝置等放置樣本SMP(步驟S1)。然後，檢測裝置100執行如後所述的對焦調整(步驟S2)。透過此對焦調整，決定物鏡12相對於所放置之樣本SMP的相對位置。
如果需要，藉由將來自觀測光源34之觀測光照射至樣本SMP，調整樣本SMP內的目標檢測位置。具體而言，開啟 來自觀測光源34之觀測光對樣本SMP的照射(步驟S3)。然後，使用者或輔助裝置調整樣本SMP的位置以使檢測光照射至樣本SMP內的目標檢測位置(步驟S4)。當此位置調整結束時，關閉來自觀測光源34之觀測光對樣本SMP的照射(步驟S5)。然後，檢測裝置100再度執行如後所述的對焦調整(步驟S6)。藉由此對焦調整，決定物鏡12相對於SMP內目標檢測位置的相對位置。
當以上處理結束時，開始檢測裝置100的檢測。具體而言，來自檢測光源30或檢測光源32之檢測光照射至樣本SMP，由光譜儀60檢測其樣本光，以檢出來自樣本SMP之反射光的波長光譜(步驟S7)。然後，資訊處理裝置50基於光譜儀60的檢出結果(波長光譜)進行各種數值分析處理(步驟S8)，輸出樣本SMP的光學特性(步驟S9)。然後結束一連串的處理。
另外，在檢測相同樣本SMP內的其他檢測位置時，重複步驟S4以下的處理。另外，對焦調整(步驟S2以及S6)和樣本SMP的位置調整(步驟S3~S5)若必要時可適當執行，視情況不同，也可省略其全部或一部分。
<I.對樣本的對焦調整>
接著，說明物鏡的對樣本SMP的對焦調整。根據本實施型態之檢測裝置中，基於照射至樣本SMP之檢測光的像，實施對焦調整。意即，用於判斷檢測光本身的圖樣是否為對焦狀態。
(i1：對焦調整的概述)
第9圖係表示從根據本實施型態之檢測裝置照射至樣本的檢測光的狀態例的圖。第9圖中，表示物鏡對樣本對焦之狀態下所對應的影像200A，以及，從物鏡對樣本對焦之 狀態脫離的狀態下所對應的影像200B。
影像200A中，檢測光的照射點清楚呈現，而相較於此，影像200B中，檢測光的照射點模糊地擴散。在此，根據本實施型態之檢測裝置，用攝像機28拍攝此檢測光照射至樣本的狀態，同時，基於此拍攝的影像的清晰度，執行對焦調整。意即，根據本實施型態之檢測裝置，包括基於攝像機28所觀測之像的清晰度驅動驅動機構54以決定物鏡對樣本SMP之相對位置的控制邏輯。在本實施型態中，作為影像清晰度的一例，對比設為表示對焦程度的值(FV：對焦值(focus value))。
第10圖係表示根據本實施型態之檢測裝置中物鏡位置與對比值間的關係例的圖。參照第10圖，透過改變物鏡對樣本SMP的相對位置，FV(對比)在某位置會變成峰值(peak)。這個FV變成峰值的位置相當於成為對焦狀態的位置(焦點位置)。
根據本實施型態之檢測裝置中，為了在更短時間內完成對焦調整，移動物鏡的同時，攝像機28每預定週期地拍攝以取得影像。然後，藉由算出所取得之各影像的FV，取得第10圖所示的FV相對於物鏡位置的數據圖(profile)。在所取得的數據圖中，藉由指明FV變成峰值的位置，決定物鏡的位置。
FV數據圖中的峰值位置，藉由使用預定的函數(例如勞倫茲(Lorentz)峰值函數)擬合(fitting)數據圖，可更正確地決定。或者，若只注意峰值的附近，藉由使用二次函數擬合，可更正確地決定。如此一來，藉由使用擬合，不用使攝像機28的拍攝間距(pitch)更細，即可正確地決定焦點位置。另外，即使在攝像機28拍攝間距細的情況下，亦有峰值附近值的變化少、藉由 攝像機28的S/N(Signal to Noise)比的限制仍無法提升檢測精確度的情況，在此種情況下，使用擬合的峰值位置決定亦為有效。
驅動機構54的包括物鏡之頭部的移動速度為一定，採用拍攝速度相對此移動速度為相當高的攝像機28。
驅動機構54的物鏡移動速度高的情況下，攝像機28拍攝而得之影像的傳送時間，以及，取得驅動機構54之位置所需的傳送時間等便不可忽視。因此，為了以更高精確度實現對焦調整，亦可採用以下所示的對焦調整方法其中任一者。
(i2：對焦調整方法(其1))
對焦調整方法(其1)表示藉由資訊處理裝置50與位置控制器52以及攝像機28交流以進行對焦調整之情況下的處理程序。
第11圖中，表示用於說明根據本實施型態之檢測裝置的對焦調整方法(其1)的時間圖。第12圖中，表示根據本實施型態之檢測裝置的對焦調整方法(其1)中所取得的經過時間與物鏡位置間的關係的圖。
參照第11圖，對焦調整方法(其1)中，資訊處理裝置50給予位置控制器52以及攝像機28兩者開始觸發。意即，基準時刻(零)時，資訊處理裝置50對攝像機28給予拍攝開始指令，同時對位置控制器52給予移動開始指令。藉此，使攝像機28拍攝開始的時間與位置控制器52移動開始的時間一致。資訊處理裝置50保持將給予拍攝開始指令的時刻當作基準時刻。
攝像機28，接受拍攝開始指令，每預定週期(拍攝週期△TD)進行拍攝動作，將所取得之影像傳送至資訊處理裝置50。若回應拍攝開始指令所拍攝的影像設為影像0，此後的 影像n，係從基準時刻經過△TD×n後之時間點取得。
用於取得此影像取得之時間點所對應的物鏡位置的資訊處理裝置50，對應攝像機28的拍攝週期，從位置控制器52取得位置資訊。此時，由於取得之位置資訊因傳送時間等產生延遲時間，資訊處理裝置50相關聯要求位置資訊之時刻(從基準時間經過的時間)與所取得之位置資訊並依序儲存。對取得時刻與位置資訊的集合使用1次函數進行擬合以決定時刻與位置資訊之間的關係。
第12圖中，表示擬合結果的一例，可決定自基準時刻的經過時間t與物鏡位置p之間的關係式p=f(t)。
搜尋從攝像機28所取得之影像算出的FV數據圖上的峰值的同時，決定拍攝持有所搜尋之峰值的影像的時刻(從基準時間經過的時間)。然後，藉由將所決定之時刻t輸入至擬合結果，可決定物鏡的位置。或者，取代時刻t，也可使用拍攝的張數(編號)。換言之，第12圖所示的擬合後的關係式係表示各拍攝時間點時的物鏡位置。
經過此程序，可實現精確度高的對焦調整。第13圖中，表示根據本實施型態之檢測裝置中的對焦調整方法(其1)的處理程序的流程圖。第13圖所示的處理程序相當於第8圖所示的步驟S2以及步驟S6的更詳細內容。
參照第13圖，當指示對焦調整時，資訊處理裝置50對攝像機28給予拍攝開始指令並同時對位置控制器52給予移動開始指令(步驟S11)。然後，攝像機28以預定的拍攝週期執行重複拍攝。另外，驅動機構54開始物鏡的預定移動速度的移動。
資訊處理裝置50，以與攝像機28之拍攝週期相同的週期，重複自位置控制器52的位置資訊取得(步驟S12)。此時，資訊處理裝置50相對應對位置控制器52要求位置資訊之時刻儲存所取得之位置資訊。此自位置控制器52的位置資訊取得在物鏡到達移動結束位置為止的期間(步驟S13為否)重複進行。
若物鏡到達移動結束位置(步驟S13為是)，資訊處理裝置50對攝像機28給予拍攝結束指令並同時對位置控制器52給予移動結束指令(步驟S14)。
資訊處理裝置50，基於步驟S12中取得之位置資訊以及對應時刻，如第12圖所示，決定時刻與位置資訊之間的關係(步驟S15)。然後，資訊處理裝置50分別從步驟S12中攝像機28所拍攝之各影像算出FV(對比)，取得FV的數據圖(步驟S16)。然後，執行對FV數據圖的擬合處理，決定FV的峰值位置(發生峰值的影像編號)(步驟S17)。並且，資訊處理裝置50參照步驟S15中決定的時刻與位置資訊間的關係，決定對應於步驟S17中決定之FV峰值位置的物鏡位置(步驟S18)。最後，資訊處理裝置50，基於步驟S18中決定的物鏡位置，對驅動機構54給予位置指令(步驟S19)。
藉由以上處理程序，物鏡的對焦調整完成。
(i3：對焦調整方法(其2))
上述對焦調整(其1)中，雖例示資訊處理裝置50分別對攝像機28以及位置控制器52給予指令的構成例，但藉由相關聯位置控制器52與攝像機28，亦可控制更正確的拍攝位置。
對焦調整方法(其2)中，設置用於從位置控制器52 對攝像機28給予拍攝指令的觸發線。位置控制器52每預定移動量地對攝像機28給予拍攝觸發。因此，可更正確地相關聯攝像機28所拍攝的各影像與對應的物鏡位置。藉此，可提升對焦精確度。
第14圖中，表示根據本實施型態之檢測裝置的對焦調整方法(其2)的處理程序的流程圖。第14圖所示的處理程序相當於第8圖所示的步驟S2以及步驟S6的更詳細內容。
參照第14圖，當指示對焦調整時，資訊處理裝置50對位置控制器52給予對焦調整開始指令(步驟S21)。然後，驅動機構54開始物鏡的預定速度的移動，同時，每預定移動量地對攝像機28給予拍攝指令。
若物鏡到達移動結束位置(步驟S22為是)，資訊處理裝置50對位置控制器52給予對焦調整結束指令(步驟S23)。
資訊處理裝置50分別從步驟S21中攝像機28所拍攝之各影像算出FV(對比)，取得相關聯至各影像所對應之位置的FV數據圖(步驟S24)。然後，對FV數據圖執行擬合處理，決定FV的峰值位置(物鏡位置)(步驟S25)。並且，資訊處理裝置50，基於步驟S25中決定的物鏡位置，對驅動裝置54給予位置指令(步驟S26)。
藉由以上處理程序，物鏡的對焦調整完成。
(i4：搜尋程序)
對焦調整的焦點位置搜尋，雖可一次完成，但為了提高精確度，亦可複數次地搜尋。以下說明複數次搜尋焦點位置時的處理。
第15圖中，表示用於說明根據本實施型態之檢測裝置的焦點位置搜尋程序的示意圖。焦點位置的搜尋，若考慮 到物鏡12相對於樣本SMP的工作距離，較佳為從距離樣本SMP遠的地方接近而進行。參照第15圖，第1次的焦點位置搜尋中，物鏡從相對樣本SMP最遠的位置往接近方向移動，通過推測焦點位置存在之位置後，自充分移動停止。基於此第1次搜尋所得的FV數據圖，決定第2次的移動範圍。具體而言，以第1次搜尋所決定的峰值位置為基準，將距離樣本SMP某程度之位置為止決定為搜尋範圍。然後，執行第2次搜尋。第2次搜尋中，相較於第1次搜尋，降低物鏡的移動速度，即以更短的拍攝間隔進行拍攝。然後，基於第2次搜尋所得的FV數據圖，決定第3次的移動範圍。之後，相同的程序重複預定次數，或者，重複至滿足預定條件為止，藉此決定焦點位置。
<J.光學路徑的調整方法>
根據本實施型態之檢測裝置，有必要正確地調整從物鏡到光譜儀為止、作為受光部的光學路徑。以下說明此光學路徑的調整方法。
第16圖係表示根據本實施型態之檢測裝置的光學路徑調整程序的流程圖。第16圖中，表示構成第5圖所示之檢測裝置100D的光學組件的調整程序。
參照第16圖，首先，調整樣本SMP的平整度(步驟S100)。具體而言，將分光器22設定至初始位置的同時，將來自調整用雷射的光入射至分光器22，並投影至樣本SMP配置的位置。基於此投影狀態，調整配置樣本SMP之位置的平整度。
接著，調整投光軸以及受光軸(步驟S101)。具體而言，對設定至初始位置之分光器22，分別自光源側以及光譜 儀側入射來自調整用雷射的光，為使得各自的光皆入射至樣本SMP的相同位置，分別調整光學路徑。
接著，調整曲面鏡20以及轉向鏡21(步驟S102)。具體而言，將來自調整用雷射的光入射至分光器22，為使其投影至樣本SMP的預定位置，調整曲面鏡20以及轉向鏡21的角度及位置。
最後，調整物鏡位置以及移動軸(步驟S103)。具體而言，將來自調整用雷射的光入射至分光器22並移動物鏡，為使得其在樣本SMP上的投影位置沒有改變，調整物鏡位置以及移動軸的角度。
透過以上程序，可由檢測裝置的光學組件構成更適當的光學路徑。
<K.效果確認>
根據本實施型態之檢測裝置，藉由僅移動包括物鏡的頭部進行對樣本SMP的對焦調整是可能的。對於此頭部移動所致的對焦調整效果，以下表示確認的實驗結果。以下所示的實驗結果係使用第5圖所示之檢測裝置100D檢測者。
第17圖係表示根據本實施型態之檢測裝置的物鏡位置為不同複數值下取得的各波長相對反射率的檢測結果例。對應物鏡位置的改變，樣本SMP的高度亦改變以進行檢測。檢測的相對反射率係以300nm至800nm為止每100nm合計6波長為對象。
根據第17圖所示的檢測結果例，對於任一波長，皆不受物鏡位置影響，表示大致相同的相對反射率。這表示，移動包括物鏡之頭部進行對焦調整的時候，即使改變自樣本 SMP的相對距離，對焦調整以及檢測結果仍難以受到影響。
第18圖係表示根據本實施型態之檢測裝置在執行對焦調整後檢測的反射率光譜的檢測結果例。在第18圖中，表示分別執行5次對焦調整後所得的反射率光譜。
根據第18圖所示的檢測結果例，得知任一對焦調整中皆可實現高精確度的對焦調整，同時，在廣波長範圍內皆可穩定檢測。
<L.優點>
根據本實施型態之檢測裝置，採用由轉換來自樣本之檢測光為平行光的物鏡與反射來自物鏡之平行光以轉換為收斂光的反射型鏡的組合而成的新的光學系統。藉由沿著平行光的光軸移動物鏡，可進行對樣本的對焦調整。
因此，即使在需要檢測相對大之樣本的情況下，也不需要移動樣本。意即，可實現可僅藉由移動物鏡進行對焦調整的顯微鏡光學系統。亦可將包括物鏡以及其驅動機構的對焦機構封裝化以作為頭部。藉由採用此種頭部，可小型化裝置尺寸。另外，此種頭部可容易組合至其他光學單元或檢測單元，而可提高擴展性。
根據本實施型態之檢測裝置，可僅用反射光學系統實現物鏡以及反射型鏡兩者，在此情況下，可實質上忽略色差的影響。另外，也有僅有物鏡採用折射型鏡的情況，其相較於習知構成，可大幅度抑制色差的影響。
因此，由於用反射光學系統實現自樣本至受光部為止的光學路徑，實質上不受色差影響，可以進行包括紫外光 域、可見光域、紅外光域之廣波長範圍下的光譜檢測以及透過對所檢測之光譜等數值分析而量測光學特性。因此，各種光學特性的檢測成為可能，可提高通用性。
根據本實施型態的檢測裝置，可將反射型鏡用於成像鏡並同時在從反射型鏡到成像鏡為止的光學路徑上設置轉向鏡。藉由採用此種轉向鏡，可3維配置組件，而可更容易實現裝置尺寸的小型化。
根據本實施型態的檢測裝置，亦可採用反射物鏡。反射物鏡具有簡單構成，物鏡以及成像鏡兩者中皆沒有色差發生，因此可更提高檢測精確度。
作為反射物鏡，係採用卡賽格林型的反射物鏡，藉此可實現具有高倍率、小型化、長工作距離等優點的反射光學系統。或者，作為反射物鏡，係採用組合曲面鏡、轉向鏡所構成的軸偏移反射物鏡，藉此可實現具有低倍率、長工作距離、長焦點深度等優點並簡化構成的反射光學系統。
根據本實施型態的檢測裝置，由於可基於檢測光本身的圖樣(像)進行對焦調整，可確實地確認用於實際檢測之檢測光的聚焦狀態。另外，由於不需要如習知構成投影標線圖樣，不會妨礙觀測時的視野。
另外，由於基於檢測光本身的圖樣(像)的清晰度(對比)進行對焦調整，維持比較簡單的構成的同時，可實現精確度更高的對焦調整。
根據本實施型態的檢測裝置，藉由改變物鏡位置的同時依序取得檢測光本身的圖樣(像)，可搜尋聚焦位置。此 時，由於採用即使攝像機的影像傳送存在某種程度的延遲時間仍可校正的演算法，可高精確度地決定聚焦位置。另外，由於FV之數據圖內包括的峰值係經由擬合法決定，即使有任何的擾動，仍可指定正確的峰值位置。
根據本實施型態的檢測裝置，設置切換鏡，而可在孔徑輸出的視野狹的檢測光與視野廣的觀測光之間切換。藉由檢測光與觀測光之間的切換，正確檢測與視野範圍廣之觀測像的取得可以並立。
藉由適當選擇產生檢測光之光源的種類，檢測光聚焦至樣本的狀態以及檢測光的聚焦位置離樣本相當遠的狀態(焦點相當模糊的狀態)的任一者皆可實現。藉此，可在更適合樣本特性的狀態下照射檢測光，因而，使得不受對焦狀態影響、更適當的檢測成為可能。
由上述說明，根據本實施型態之光學特性檢測裝置以及光學系統有關的其他優點係顯而易見。
雖已說明本發明的實施型態，但本次揭示的實施型態應被視為所有方面皆為例示性而非限制性。本發明的範圍由申請專利範圍表示，並意在包括與申請專利範圍相同意義以及範圍內的全部變更。
2‧‧‧樣本光
4‧‧‧平行光
6‧‧‧收斂光
10‧‧‧頭部
12‧‧‧物鏡
20、40‧‧‧曲面鏡
22、24、42‧‧‧分光器
26‧‧‧成像鏡
28‧‧‧攝像機
30、32‧‧‧檢測光源
34‧‧‧觀測光源
44‧‧‧切換鏡
46‧‧‧孔徑
50‧‧‧資訊處理裝置
52‧‧‧位置控制器
54‧‧‧驅動機構
60‧‧‧光譜儀
100A‧‧‧檢測裝置
SMP‧‧‧樣本

Claims (7)

  1. 一種光學特性檢測裝置，包括：轉換來自被檢測物之檢測光為平行光的第1光學元件；反射來自上述第1光學元件之平行光以轉換為收斂光的反射型鏡；接受來自上述反射型鏡之收斂光的受光部；配置於上述第1光學元件與上述反射型鏡之間之光學路徑上、反射來自上述第1光學元件之平行光以改變傳播方向的第2光學元件；改變上述第1光學元件相對於上述被檢測物之相對位置的驅動機構；產生照射至上述被檢測物之檢測光的第1光源；以及配置於從上述反射型鏡至上述受光部為止之光學路徑上並同時與上述第1光源光學性地連接的分光器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學特性檢測裝置，其中，上述第1光學元件包括配置為其各自的中心軸與上述平行光之光軸一致的凸面反射鏡以及凹面反射鏡的組。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之光學特性檢測裝置，其中，上述第1光學元件包括相對應上述反射型鏡配置的曲面鏡，以及，與該曲面鏡組合的轉向鏡。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之光學特性檢測裝置，其中，上述受光部輸出自上述反射型鏡接受之光所包含的波長光譜。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光學特性檢測裝置，更包括： 產生至少包含可視光域為波長成分之觀測光的第2光源；其中，上述第1光源產生包含待從上述被檢測物檢測之光學特性所對應的波長成分的上述檢測光。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光學特性檢測裝置，更包括：觀測照射至上述被檢測物之檢測光的像的觀測單元。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之光學特性檢測裝置，更包括：基於上述觀測單元所觀測之像的清晰度驅動上述驅動機構，以決定上述第1光學元件相對於上述被檢測物之相對位置的控制單元。
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