JP2013238522A - 多焦点撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ＸＹ移動テーブルに搭載して移動しながら計測可能な、多焦点画像を用いる光計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 互いに厚さの異なる平行平面透明体を円周上にならべた回転円板による高速焦点移動機構により焦点を高速変化させ、対物レンズ系の光路をミラーあるいは直角プリズムにより９０度折り曲げ、対物レンズ系をＸＹ移動テーブル移動軸に対し４５度の角度をなすように配置し、２次元光電変換器を４５度傾けた状態で取り付ける。
【選択図】 図４

Description

本発明は、光を利用した計測装置に関する。特に、異なる焦点位置の複数の画像を用いて各種の計測を行う装置の高速化、コンパクト化に関する。

たとえば物体の表面の立体形状を計測するために、焦点位置の異なる複数の画像データを得て、この画像データを画像処理装置に入力して各画像の局所的な合焦状態を画像処理により求め、合焦状態と各画像の焦点位置とから物体表面各箇所の立体形状を特定するということが行われている。このとき、画像データの入力用として使用される光学系は、結像光学系と、この結像光学系により結ばれる光学像を光電変換して出力する２次元光電変換器などより構成され、結像光学系と被測定物との間の光学的距離すなわち光路長を変化させて焦点位置の異なる複数の画像データを得ている。

結像光学系と被測定物体との光路長を変化させる手段としては、被測定物をZ軸移動テーブル上に配置し、Z軸移動テーブルを移動させることにより行うのが一般的である。しかしながら、Z軸移動テーブルによる光路長変化は、被測定物が大きく重量があるものであったり、あるいは被測定物を保持するための治具が重量物であったりする場合、精度を出すための剛性等を考慮するとZ軸移動テーブル自体が大きく自重のあるものとなるため、高速かつ高精度な移動（光路長変化）は容易ではなかった。また、特に画像データ入力用の光学系が、レーザ走査顕微鏡のような走査型光学系の場合、走査期間中は焦点位置を本来変化させるべきではないことから、理想的には光路長をステップ変化させる必要があり、自重の大きいZ軸移動テーブルを高速・高精度でステップ移動させるのはさらに困難であった。

この問題を解決するために、上記のような機械的な光路長変化ではなく、光学的に変化させる機構の提案が、本発明と同一の発明者により特許文献1に示されている。その原理を、図５を参照して説明する。顕微鏡対物レンズのような結像光学系の光路中に平行平面透明体５０３を挿入すると、光学系と被測定物１０３との光路長の変化に伴い焦点の位置が変化する。この変化量は、平行平面透明体５０３の厚さにより制御することができる。この原理を用いて、円板５０１の円周上に互いに厚さの異なる平行平面透明体５０３を並べ、この円周を結像光学系の光軸位置に持っていき、円板５０１を連続的に回転させると、平行平面透明体５０３の厚さの変化に伴い焦点位置が移動する。タイミングセンサにより各平行平面透明体５０３と結像光学系光軸が交わるタイミングで２次元光電変換器のシャッターを切ることで高速にかつ高精度にステップ的な焦点移動が実現できる。

特願平７−２３７９４７

この機構は、簡単な構造で、高速・高精度な光路長変化を実現できるが、光学系光軸に直交して回転円板を配置するため、例えば高倍率の高解像度光学系や、テレセントリックな広視野高精度光学系などの場合、光学系の全長が非常に長くなることから、それに直交する回転円板を配置すると外接直方空間は非常に大きなものとなり、装置の大規模化を招くことになる。

また、被測定物が大きく一回（一視野）の計測では計測しきれない場合は、結像光学系や回転円板、２次元光電変換器を含む計測機構部（以下では単に計測機構部と称する）と被測定物との位置関係をＸＹ軸移動テーブル等により変化させて複数回計測する必要があるが、この場合被測定物をＸＹ軸移動テーブルにより移動させるのではなく計測機構部側をＸＹ軸移動テーブル上に載せて移動させた方（以下では計測機構部移動型と称する）が、被測定物の搬送、計測機構部の計測位置への導入方法などに関して自由度が高くなり、計測装置全体の簡素化あるいはスループットの向上が期待できる。

しかし、計測機構部が前記のように大きくなると、ＸＹ軸移動テーブルも大型のものが必要となるだけでなく、移動時に振動が発生しやすくなるため光学系自体の剛性を上げるなどの対策が必要となりさらに大型化を招き実現性に乏しくなる。

このような状況に鑑み、本発明は、複数の焦点位置の画像を高速に取得する装置（以下では多焦点撮像装置と呼ぶ）を、計測機構部移動型で使用可能なように軽量かつコンパクトに提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、
少なくとも一軸の移動軸を有する移動テーブルと、
その移動テーブルに搭載または被測定物用移動テーブルの移動に伴って被測定物に対する相対位置を変えて計測が可能な計測機構部より構成され、
計測機構部は、光学像を光電変換し２次元の画像信号として出力可能な２次元光電変換器と、
その２次元光電変換器からの出力画像信号を受信し画像として保存あるいは各種データ処理を施す画像処理装置と、
被測定物の光学像を前記２次元光電変換器の光電変換面に結像させ、少なくとも１回光路が９０度折れ曲がる構造を有する対物レンズ系と、
前記対物レンズ系の物体空間での光軸（以下単に光軸と称する）に直交する回転面を有しモータにより定速度で回転する回転板で、その回転板上の前記光軸と交差する円周上に互いに厚さの異なる複数の平行平面透明体が並べて配列され、その平行平面透明体が前記光軸を通過する毎に前記２次元光電変換器により撮像することで焦点位置の異なる複数の画像を得ることができる焦点移動機構とからなり、
前記移動テーブルの移動軸の内の少なくとも一軸は前記焦点移動機構の回転板回転面に平行であるように多焦点撮像装置を構成する。
さらに、前記焦点移動機構の回転板の回転中心軸と前記光軸とにより構成される平面（以下中心平面と称する）は、前記移動テーブルの移動軸のうちの回転板回転面と平行な軸と平行または直交するように配置し、
対物レンズ系は、前記光軸に対し光路が途中で９０度折り曲げられ回転板の回転平面に平行かつ前記中心平面と４５度の角度をなすように配置し、
２次元光電変換器は、その２次元の座標軸が前記回転板の回転平面に対し４５度傾いた状態で取り付けるようにする。

以上のように構成することで、計測機構部の外接直方空間を小さくすることができ、重心が低くなることから移動テーブルの加減速に伴って受ける力に対して有利となり、コンパクトな計測機構部移動型の多焦点撮像装置が実現できる。

本発明の実施例を示した図である。 従来技術を説明するための図である。 本発明の計測機構部の１実施例を示した図である。 本発明の計測機構部の他の実施例を示した図である。 高速な焦点移動機構を説明するための図である。

以下では、本発明を具体的に実施するにあたり最良と思われる実施形態について述べる。

まず、本発明を具現化した実施形態の例を、図１〜図４を参照して説明する。

計測光学系の例として、ここでは図２を参照して２次元配列型共焦点光学系の場合について述べる。この光学系は、２次元的にピンホールが配列されたピンホールアレイ２０１と、このピンホールアレイ２０１を照明する照明光学系２０２と、ピンホールアレイ２０１を透過した照明光を被測定物１０３に結像投影し、かつ被測定物１０３からの反射光を再び集光する対物レンズ系２０４と、照明光と反射光の偏光方向を９０度変換する機能を有する１／４波長板２０５と、対物レンズ系２０４により集光されピンホールアレイ２０１を再び通過した反射光を照明光学系２０２の方に戻さず９０度折り曲げる機能を有する偏光ビームスプリッタ２０６と、ピンホールアレイ２０１を通過した反射光を２次元光電変換器２０７に結像伝達する第２対物レンズ系２０８と、２次元光電変換器２０７の出力画像信号を受信し保存あるいは画像データ処理を行う画像処理装置２０９より構成される。

この光学系は、いわゆる共焦点光学系であり、ピンホールアレイ２０１の共役面（以下では焦点面２１０と呼ぶ）に被測定物１０３の表面が存在する場合にのみ反射光がピンホールアレイ２０１を再び通過して２次元光電変換器２０７の対応する画素で出力が得られ、被測定物１０３の表面が焦点面２１０以外にある場合には出力が得られない（出力値が小さい）という特性を有しており、被測定物１０３に対する焦点面２１０の相対位置を変化させて、２次元光電変換器２０７の画素毎にもっとも出力の大きい相対位置を求めることで被測定物１０３の表面の位置を画素毎に特定できる、すなわち表面形状計測ができる光学系となっている。

被測定物１０３に対する焦点面２１０の相対位置を変化させるための機構として、従来技術として述べた、図５に示す機構を用いる。

このように画像を取得する型の共焦点光学系（以下では共焦点撮像系と称する）では、対物レンズ系２０４としてテレセントリック光学系を用いる必要があるが、テレセントリック光学系は開口絞りをはさんで前群レンズと後群レンズとに分かれており、全長が長くなるのが普通である。そのため図２に示すように、対物レンズ系２０４を含む２次元配列型共焦点光学系と前記の回転円板２１０による焦点面変化機構とを組み合わせると、外接する直方空間はかなり大きいものとなってしまう。

そこで、対物レンズ系２０４の中間部分の開口絞り前後でミラーあるいは直角プリズムにより光路を９０度折り曲げるようにする。図３に示すように、これにより回転円板５０１の回転面方向（以下では水平方向と呼ぶ）に対して直交する方向（以下垂直方向と呼ぶ）寸法を大幅に小さく抑えることが可能となる。９０度折り曲げたことで対物レンズ系２０４後群以降の光学系は、水平方向に配置でき、垂直方向の広がりを大幅に抑えることができる。さらに、回転円板５０１と重なるように配置することで全体のサイズが水平方向に広がるのも抑えることができる。

偏光ビームスプリッタ２０６は光学系の光路をさらに９０度折り曲げるが、この折り曲げ方向も水平面内で折り曲げることが可能であり、かつ回転円板５０１と重なるようにすることができる。また、照明光学系２０２も折り曲げて回転円板５０１に重なるようにすることが可能である。

このようにすることで図１に示すように、計測機構部１０２の垂直方向のサイズが大幅に小さくなり重心が低くなるため、曲げ剛性的に有利となり、ＸＹ移動テーブル１０１に計測機構部１０２を取り付けて高速に位置移動させることが可能となる。各部品の剛性も低くすることが可能になり、装置の小型化、低コスト化が図れることになる。

回転円板５０１の中心にはモータ５０２が有り、さらにこのモータ５０２および回転円板５０１を保持する支持台が必要となることから、回転円板５０１の中心付近に光学系を配置することは通常難しい。そのため、図３のように光学系は回転円板５０１中心を避けた配置となる。

この場合、２次元光電変換器２０７の光学系への取り付けとして、２次元光電変換器２０７の画像座標軸方向を水平・垂直方向に合わせる一般的な取り付け方法とすると、視野の形状は図３計測視野３０１のようになるため、ＸＹ移動テーブル移動軸３０２をこの計測視野３０１の座標軸方向に合わせるのが自然である。

しかしながら、この場合計測視野３０１の位置は計測機構部中心線３０２（ここではＸＹ移動テーブル移動軸３０２に等しい）から大きく偏った不自然な位置となる。また回転円板５０１と被測定物１０３とのクリアランスが小さい場合（高解像度広視野の画像を得たい場合、対物レンズ系２０４のＮＡは小さい値とすることはできず、かつ回転円板５０１上の平行平面透明体５０３はできるだけ小さいものを使って回転円板５０１の径を小さくしたいと考えると回転円板５０１と被測定物１０３とのクリアランスは小さく設定することになるのが一般的）、図３計測視野３０１の位置に計測視野位置があると使用者から計測視野３０１の位置が（Y軸方向を計測機後部１０２の前後方向として、前方向から）視認しづらく、特に回転円板５０１のサイズが大きい場合には使用者が計測視野３０１の位置を目視で確認することはほぼ不可能となってしまい、著しく使い勝手が悪いものとなってしまう。

そこで、図４のように回転円板５０１中心線と計測視野３０１中心線とを含む平面方向を、ＸＹ移動テーブル移動軸３０２方向（通常慣習的にはＹ軸方向）と平行になるようにする。このようにすることで計測視野３０１を確認のしやすい位置に配置することができる。

ＸＹ移動テーブル移動軸３０２と計測視野３０１との関係を図４のようにすると、光学系の光路はＸＹ移動テーブルのＹZ軸平面（すなわち回転円板５０１中心線と計測視野３０１中心線とを含む平面）に対して約４５度傾いた形となる。この場合、２次元光電変換器２０７の光学系への取り付けを、２次元光電変換器２０７の画像座標軸方向を水平・垂直方向に合わせる一般的な取り付け方法とすると図４計測視野３０１ａとして示すようにＸＹ移動テーブル移動軸３０２に対して４５度傾いた形となってしまう。

２次元光電変換器２０７の画像座標軸とＸＹ移動テーブル移動軸３０２が一致していないと画像データ処理上扱いづらく、かつ回転円板５０１上の平行平面透明体５０３のサイズと視野の形状で決まる２次元光電変換器２０７の露光時間の余裕の観点からも好ましくない。そこで、２次元光電変換器２０７の光学系への取り付けを、２次元光電変換器２０７の画像座標軸方向が水平・垂直方向に対して４５度傾くように配置する。このようにすると図４計測視野３０１ｂのように２次元光電変換器２０７の画像座標軸とＸＹ移動テーブル移動軸３０２を一致させることが可能となる。

以上では、計測光学系として２次元配列型共焦点撮像系の例を挙げたが、本発明の適用範囲は２次元配列型共焦点撮像系に限られるものではない。走査型の共焦点撮像系であっても同様に考えることが可能であるし、共焦点撮像系である必要もない。共焦点撮像系は光学系そのものの出力が合焦状態を表しているが、通常の光学系による画像であっても画像処理により合焦状態を演算することが可能であるから、ほぼ同様のことは共焦点撮像系ではない一般的な結像光学系でも実現できる。その場合も、本発明は有効である。また、表面形状計測ではなく高精度２次元寸法計測のために高解像度の画像が必要であって高速な合焦機構が必要な場合も全く同様に本発明を用いることができる。その他、白色干渉表面形状計測などにも適用可能と考えられる。

また、上記実施例では平行あるいは直交、あるいは９０度、４５度との表現で位置関係を述べているが、必ずしも厳格な条件を求めているものではない。ある程度の誤差があっても目的が達せられるのであれば本発明の範疇である。例えば、ＸＹ移動テーブルのＹ軸に対して４５度方向に光学系の光路が配置され、２次元光電変換器が４５度傾けて取り付けられるとあるが、この値は４０度であっても実現は可能である。

本発明により、計測機構移動型の多焦点撮像装置がコンパクトかつ低コストあるいは高速に実現できる。これにより光による高速かつ高精度の計測が必要な部品が数多く存在する半導体産業において特に大きな需要があるものと考えられる。

１０１ ＸＹ移動テーブル
１０２ 計測機構部
１０３ 被測定物
２０１ ピンホールアレイ
２０２ 照明光学系
２０４ 対物レンズ系
２０５ １／４波長板
２０６ 偏光ビームスプリッタ
２０７ ２次元光電変換器
２０８ 第２対物レンズ系
２０９ 画像処理装置
２１０ 焦点面
３０１ 計測視野
３０２ ＸＹ移動テーブル移動軸
５０１ 回転円板
５０２ モータ
５０３ 平行平面透明体

Claims (2)

1. 光を利用した計測装置において、
   少なくとも一軸の移動軸を有する移動テーブルと、
   その移動テーブルに搭載または被測定物用移動テーブルの移動に伴って被測定物に対する相対位置を変えて計測が可能な計測機構部より構成され、
   計測機構部は、光学像を光電変換し２次元の画像信号として出力可能な２次元光電変換器と、
   その２次元光電変換器からの出力画像信号を受信し画像として保存あるいは各種データ処理を施す画像処理装置と、
   被測定物の光学像を前記２次元光電変換器の光電変換面に結像させ、少なくとも１回光路が９０度折れ曲がる構造を有する対物レンズ系と、
   前記対物レンズ系の物体空間での光軸（以下単に光軸と称する）に直交する回転面を有しモータにより定速度で回転する回転板で、その回転板上の前記光軸と交差する円周上に互いに厚さの異なる複数の平行平面透明体が並べて配列され、その平行平面透明体が前記光軸を通過する毎に前記２次元光電変換器により撮像することで焦点位置の異なる複数の画像を得ることができる焦点移動機構とからなり、
   前記移動テーブルの移動軸の内の少なくとも一軸は前記焦点移動機構の回転板回転面に平行であるように配置されることを特徴とする多焦点撮像装置。
2. 前記焦点移動機構の回転板の回転中心軸と前記光軸とにより構成される平面（以下中心平面と称する）は、前記移動テーブルの移動軸のうちの回転板回転面と平行な軸と平行または直交するように配置され、
   対物レンズ系は、前記光軸に対し光路が途中で９０度折り曲げられ回転板の回転平面に平行かつ前記中心平面と４５度の角度をなすように配置され、
   ２次元光電変換器は、その２次元の座標軸が前記回転板の回転平面に対し４５度傾いた状態で取り付けられることを特徴とする請求項１記載の多焦点撮像装置。