JP2016051153A - 光学観察装置及び光学観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】観察対象物の全焦点画像を容易に取得するとともに、表面各部の高さを視覚的に把握できる光学観察装置及び光学観察方法を提供する。
【解決手段】広帯域光を出射する光源１０と、第１端面２０ａ及び第２端面２０ｂを有し、第１端面及び第２端面において複数のコアの端面が２次元配列されたイメージファイバ２０と、イメージファイバの第１端面側に設けられ、第１端面から出射された光を結像面Ｆに結像させる結像光学系３０と、イメージファイバの第２端面側に設けられ、光軸上において軸上色収差を有し、第２端面から出射され観察対象物に向かう光を集束させる軸上収差光学系４０と、を備え、イメージファイバは、光源から出射された光を第１端面から取り込んで第２端面へ伝達するとともに、観察対象物の表面で反射及び散乱し軸上収差光学系を介して集束され第２端面上の複数のコアごとに合焦した光を第２端面から取り込んで第１端面へ伝達する。
【選択図】図１

Description

本発明は、観察対象物の表面に照射した光の反射光や散乱光を受けて観察対象物の表面を観察する光学観察装置及び光学観察方法に関する。

顕微鏡等で凹凸のある観察対象物（ワーク）を観察する際、ワークの観察面の広い範囲で焦点の合った観察像を得ることは容易ではない。特に、光学的に高倍率で観察する場合、レンズの焦点深度が浅くなることから、観察はさらに難しくなる。

一方、顕微鏡等で凹凸のあるワークを観察する際に、観察する面の全面に焦点が合った全焦点画像を得た場合、ワークの凹凸各部の高さが分かりにくいことが多い。例えば、凸部なのか、凹部なのか把握しにくいこともある。

特許文献１には、三色の単色光を被検物に照射し、三色の単色光ごとに光検出部から読み込んだ検出データを合成して、被検物のカラーの像を得る構成が開示されている。また、特許文献２には、複数の波長を含む点光源と、軸上色収差を発生するレンズと、光を角度走査する光走査機と、を備えた走査方形状計測機が開示されている。この装置では、表面に凹凸をもつ物体上に光を走査し、反射光を受光して表面上の位置や高さの検査を行っている。

特開２００８−３２９５１号公報 特開２００８−３２６６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるように、三色の単色光ごとに検出データを取り込み、これらを合成してカラー画像を得る構成では、複雑な画像処理が必要になる。また、特許文献２に記載されるように、点光源を対象物に向けて照射及び走査して表面の位置や高さを検査する構成では、対象物の表面の全体で焦点の合った画像を得られるものの、視覚的に表面の凹凸を認識しにくいという問題は解消されない。

本発明の目的は、観察対象物の全焦点画像を容易に取得するとともに、表面各部の高さを視覚的に把握できる光学観察装置及び光学観察方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光学観察装置は、広帯域光を出射する光源と、第１端面及び第２端面を有し、第１端面及び第２端面において複数のコアの端面が２次元配列されたイメージファイバと、イメージファイバの第１端面側に設けられ、第１端面から出射された光を結像面に結像させる結像光学系と、イメージファイバの第２端面側に設けられ、光軸上において軸上色収差を有し、第２端面から出射され観察対象物に向かう光を集束させる軸上収差光学系と、を備え、イメージファイバは、光源から出射された光を第１端面から取り込んで第２端面へ伝達するとともに、観察対象物の表面で反射及び散乱し軸上収差光学系を介して集束され第２端面上の複数のコアごとに合焦した光を第２端面から取り込んで第１端面へ伝達することを特徴とする。

このような構成によれば、光源から出射された広帯域光は、イメージファイバの第１端面から第２端面へ伝達され、第２端面から軸上収差光学系を介して観察対象物に照射される。広帯域光は、軸上収差光学系によって波長に応じた焦点距離で集束する。したがって、観察対象物に照射される光のうち、表面で合焦する光の波長に応じた焦点距離と、観察対象物の表面高さとが対応することになる。イメージファイバは、観察対象物の表面で反射及び散乱した光のうち第２端面上の複数のコアごとに合焦した光を第２端面から取り込んで第１端面へ伝達する。第２端面の各コアから取り込まれる光は、観察対象物の表面で合焦した光の反射光及び散乱光の成分を多く含む。このため、第２端面の各コアから取り込まれ、第１端面へ伝達され、結像レンズを介して結像面に投影される光は、観察対象物の高さに応じた波長成分を含む像として現れることになる。

本発明の光学観察装置において、軸上収差光学系は、複数のコアのそれぞれから出射し観察対象物の表面で反射及び散乱した光のうち、観察対象物の表面に合焦する波長の光を第２端面上の出射元のコアに結像させてもよい。このような構成によれば、第２端面に結像した光を第１端面へ伝達し、結像レンズを介して結像面に投影できるため、観察対象物の鮮鋭な像を得られることになる。

本発明の光学観察装置において、結像光学系は、軸上収差光学系と観察対象物との距離に対応した波長の光を結像面に結像させるようにしてもよい。このような構成によれば、結像面に現れる像として、観察対象物の表面高さに応じた波長（色）に分けられた表示が行われることになる。

本発明の光学観察装置において、光源は、白色光源であってもよい。このような構成によれば、白色光源から出射される白色光に含まれる波長の範囲内において観察対象物の高さを把握することができる。

本発明の光学観察方法は、軸上色収差を有する軸上収差光学系を介して広帯域光を観察対象物に照射する工程と、第１端面及び第２端面を有し、第１端面及び第２端面において複数のコアの端面が２次元配列されたイメージファイバを用いて、観察対象物の表面で反射及び散乱し軸上収差光学系を介して集束され第２端面上の複数のコアごとに合焦した光を第２端面から取り込んで第１端面へ伝達する工程と、第１端面から出射された光を結像光学系を介して結像面に結像させる工程と、を備えたことを特徴とする。

このような構成によれば、軸上収差光学系を介して広帯域光を観察対象物に照射する。軸上収差光学系によって波長に応じた焦点距離で集束する。したがって、観察対象物に照射される光のうち、表面で合焦する光の波長に応じた焦点距離と、観察対象物の表面高さとが対応することになる。イメージファイバは、観察対象物の表面で反射及び散乱した光のうち第２端面上の複数のコアごとに合焦した光を第２端面から取り込んで第１端面へ伝達する。第２端面の各コアから取り込まれる光は、観察対象物の表面で合焦した光の反射光及び散乱光の成分を多く含む。このため、第２端面の各コアから取り込まれ、第１端面へ伝達され、結像レンズを介して結像面に投影される光は、観察対象物の高さに応じた波長成分を含む像として現れることになる。

（ａ）は、第１実施形態に係る光学観察装置の構成図、（ｂ）は、イメージファイバの構成図である。 光学観察方法を例示する模式図（その１）である。 光学観察方法を例示する模式図（その２）である。 （ａ）半球型の凸部を含むワークを例示する模式図、（ｂ）は観察例を示す模式図である。 （ａ）は、第１実施形態に係る光学観察装置の構成図、（ｂ）は、モニタの表示例を表す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る光学観察装置を例示する図である。図１（ａ）には、第１実施形態に係る光学観察装置１の構成図が表され、図１（ｂ）には、イメージファイバ２０の構成図が表される。

図１（ａ）に表したように、本実施形態に係る光学観察装置１は、光源１０と、イメージファイバ２０と、結像光学系である結像レンズ３０と、軸上収差光学系である対物レンズ４０と、を備える。この光学観察装置１によって、観察対象物であるワークＷの表面の広い範囲にわたり合焦した像ＩＭＧ−Ｆが、結像レンズ３０による結像面Ｆに現れる。

光源１０は、広帯域光を出射する。光源２１には、例えばレーザ光源が用いられる。広帯域光は、例えば白色光である。

イメージファイバ２０は、第１端面２０ａと、第２端面２０ｂとを有する。図１（ｂ）には、イメージファイバ２０の構成例が表される。説明の都合上、図１（ｂ）にはイメージファイバ２０の一方の端面（例えば、第１端面２０ａ）が表されるが、他方の端面（例えば、第２端面２０ｂ）も同様である。

イメージファイバ２０の第１端面２０ａには、複数のコア２０ｃの端面が２次元配列（例えば、六方最密配列）される。コア２０ｃの径は、約３μｍ〜５μｍ程度である。複数のコア２０ｃの数は、約３０００〜３００００程度である。複数のコア２０ｃを束ねた全体の径は、約０．４ｍｍ〜８ｍｍ程度である。

複数のコア２０ｃの端面の配列は、第１端面２０ａから第２端面２０ｂまで維持される。これにより、イメージファイバ２０は、例えば第２端面２０ｂから入射された２次元の像を、形状を維持したまま第１端面２０ａまで伝達することができる。

結像レンズ３０は、イメージファイバ２０の第１端面２０ａ側に設けられる。結像レンズ３０は、イメージファイバ２０の第１端面２０ａから出射された光を結像面Ｆに結像させる。結像レンズ３０には、軸上色収差の少ないレンズが用いられる。

結像レンズ３０と第１端面２０ａとの間にはビームスプリッタ５０が設けられる、ビームスプリッタ５０は、光源１０から出射された光を第１端面２０ａ側に反射させるとともに、第１端面２０ａから出射された光を結像レンズ３０側へ透過する。

対物レンズ４０は、イメージファイバ２０の第２端面２０ｂ側に設けられる。対物レンズ４０は、第２端面２０ｂから出射されワークＷに向かう光を集束させる。本実施形態において、対物レンズ４０は、光軸上において大きな軸上色収差を有する。これにより、第２端面２０ｂから出射され、対物レンズ４０を通過した光の光軸上の焦点距離は、光の波長に応じて異なることになる。例えば、対物レンズ４０では、波長が短いほど焦点距離が短く、波長が長いほど焦点距離が長くなる。したがって、青色光Ｂ、緑色光Ｇ、赤色光Ｒでは、焦点距離は、青色光Ｂ、緑色光Ｇ、赤色光Ｒの順に長くなる。なお、対物レンズ４０において、波長と焦点距離との関係は、上記と反対であってもよい。また、対物レンズ４０の共焦点位置は、イメージファイバ２０の第２端面２０ｂに合わせられている。

このような構成を備えた光学観察装置１において、イメージファイバ２０は、光源１０から出射された光を第１端面２０ａから第２端面２０ｂへ伝達する。さらに、イメージファイバ２０は、ワークＷの表面で反射及び散乱し対物レンズ４０を介して第２端面２０ｂ上に集束され、複数のコア２０ｃごとに合焦した光（検出光）を、第２端面２０ｂから取り込んで第１端面２０ａへ伝達する。

第２端面２０ｂから第１端面２０ａまで伝達された検出光は、第２端面２０ｂから結像レンズ３０を介して結像面Ｆに結像して、２次元の像ＩＭＧ−Ｆとして表される。光学観察装置１の使用者は、結像面Ｆを観察面としてワークＷの表面の像ＩＭＧ−Ｆを参照することができる。

光学観察装置１では、対物レンズ４０の軸上色収差を利用して、ワークＷの表面に、その表面の高さ（対物レンズ４０からの距離）に対応した焦点距離を有する波長の光が強く照射される。そして、この光による検出光が、対物レンズ４０を介してイメージファイバ２０の第２端面２０ｂに集束する。第２端面２０ｂは、対物レンズ４０の共焦点位置と一致しているため、第２端面２０ｂから、ワークＷの高さに対応した焦点距離を有する波長の光を全て取り込むことができる。

すなわち、第２端面２０ｂの各コア２０ｃは共焦点位置に配置されたピンホールとみなされるため、各コア２０ｃのそれぞれは、第２端面２０ｂ上の各コア２０ｃの位置に合焦した光を取り込むことになる。イメージファイバ２０は、各コア２０ｃから取り込まれた光をまとめることで像として第２端面２０ｂから第１端面２０ａへ伝達する。第２端面２０ｂから第１端面２０ａに伝達された像ＩＭＧ−１は、結像レンズ３０を介して結像面Ｆに投影される。結像面Ｆに投影された像ＩＭＧ−Ｆは、ワークＷの表面の像である。

この像ＩＭＧ−Ｆを構成する光は、ワークＷの表面の高さに応じた波長成分を含む。したがって、結像面Ｆに現れる像ＩＭＧ−Ｆは、ワークＷの表面の高さに応じた波長（色）によって分けられた表示となる。このように、本実施形態に係る光学観察装置１では、取り込んだ画像を合成するなどの画像処理を行うことなく、ワークＷの表面の高さに応じて色分けされた像ＩＭＧ−Ｆを容易に得られる。

次に、光学観察方法について説明する。以下の説明では、本実施形態に係る光学観察装置１を用いた観察方法を例とする。図２及び図３は、光学観察方法を例示する模式図である。

先ず、図２に表したように、光源１０から広帯域光（例えば、白色光）ＬＳ１を出射する。広帯域光ＬＳ１は、ビームスプリッタ５０で反射し、イメージファイバ２０の第１端面２０ａから内部へ取り込まれる。広帯域光ＬＳ１は、イメージファイバ２０の複数のコア２０ｃ内を通り、第２端面２０ｂから出射される。第２端面２０ｂから出射された広帯域光ＬＳ１は、対物レンズ４０を介して集束され、ワークＷに照射される。

対物レンズ４０は大きな軸上色収差を有するため、対物レンズ４０を介してワークＷに照射される広帯域光ＬＳ１の焦点距離は波長に応じて異なる。例えば、青色光Ｂの焦点距離をＦＤ１、緑色光Ｇの焦点距離をＦＤ２、赤色光Ｒの焦点距離をＦＤ３とした場合、ＦＤ１＜ＦＤ２＜ＦＤ３となる。

ここで、例えば、焦点距離ＦＤ１の位置に観察対象物の平坦な表面があった場合、検出光の像のイメージは、青色の像ＩＭＧ−Ｂとなる。また、焦点距離ＦＤ２の位置に観察対象物の平坦な表面があった場合、検出光のイメージは、緑色の像ＩＭＧ−Ｇとなる。また、焦点距離ＦＤ３の位置に観察対象物の平坦な表面があった場合、検出光のイメージは、赤色の像ＩＭＧ−Ｒとなる。

次に、図３に表したように、ワークＷの表面に照射された広帯域光ＬＳ１の表面での反射光及び散乱光である検出光ＬＳ２を、対物レンズ４０を介してイメージファイバ２０の第２端面２０ｂ上に集束させる。第２端面２０ｂ上の各コア２０ｃごと合焦する光には、ワークＷの表面で合焦した光の波長成分を多く含む。つまり、ワークＷの表面の高さに対応した焦点距離を有する波長の光が各コア２０ｃごとに強く集束され、第２端面２０ｂに到達する。このため、第２端面２０ｂに到達する検出光ＬＳ２の像には、ワークＷの表面の高さに対応した波長の情報が含まれることになる。そして、検出光ＬＳ２を第２端面２０ｂから第１端面２０ａへ伝達する。

第１端面２０ａまで伝達された検出光ＬＳ２は、結像レンズ３０を介して結像面Ｆに結像される。結像面Ｆには、ワークＷの表面の像ＩＭＧ−Ｆが現れる。この像ＩＭＧ−Ｆには、ワークＷの表面の高さに対応した波長の情報が含まれる。したがって、像ＩＭＧ−ＦによってワークＷの表面を観察できるとともに、像ＩＭＧ−Ｆの波長（色）によってワークＷの表面の高さを把握できる。

ワークＷの高さを波長（色）によって分けられる範囲は、広帯域光の波長範囲となる。したがって、広帯域光として白色光を用いると、白色光の波長範囲に対応した対物レンズ４０の焦点距離の範囲でワークＷの高さを色分けできることになる。

例えば、図３に表したように、傾斜しているワークＷの表面を観察した場合、結像面Ｆには、傾斜に沿って色が変化した像ＩＭＧ−Ｆが映し出される。結像面Ｆに映し出されるワークＷの表面の像ＩＭＧ−Ｆは平面的になるが、傾斜（高さ）に対応した色によってワークＷの表面の高さを把握できることになる。

また、例えば図４（ａ）に表したように、半球型の凸部を含むワークＷを観察した場合、結像面Ｆに現れる像ＩＭＧ−Ｆにおける凸部の表面部分は、半球の高さによって同心円状に色分けされて映し出されることになる（図４（ｂ）参照）。このように、観察者は、結像面Ｆに映し出される像ＩＭＧ−Ｆによって、ワークＷの表面の状態と、色によるワークＷの表面の高さとを容易に把握できるようになる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係る光学観察装置について説明する。
図５は、第２実施形態に係る光学観察装置を例示する図である。図５（ａ）には本実施形態に係る光学観察装置１Ｂの構成図が表され、図５（ｂ）にはモニタＭの表示例が表される。
図５（ａ）に表したように、本実施形態に係る光学観察装置１Ｂは、結像面Ｆに配置された撮像部６０と、信号処理部７０と、を備える。その他の構成は第１実施形態に係る光学観察装置１と同様である。

光学観察装置１Ｂでは、結像レンズ３０によって結像面Ｆに結像された光を撮像部６０で取り込む。撮像部６０としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）などが用いられる。撮像部６０で取り込んだ光に基づく像ＩＭＧ−Ｆは、図５（ｂ）に表したようにモニタＭに表示される。

また、信号処理部７０は、撮像部６０で取り込んだ画素ごとの信号に対して所定の処理を行う。例えば、撮像部６０で取り込んだ光の所定領域（例えば、画素ごと）のピーク波長を検出し、この検出したピーク波長に対応した対物レンズ４０の焦点距離を求める。そして、この焦点距離から所定領域の位置に対応したワークＷの表面の高さを求める。これにより、撮像部６０の所定領域に対応したワークＷの表面の高さを数値として求めることができる。ワークＷの表面の高さを数値化することで、そのデータからワークＷの表面の３次元形状の情報を取得することができる。

〔適用例〕
上記説明した光学観察装置１，１Ｂ及び光学観察方法において、ワークＷに照射される広帯域光ＬＳ１は、スポット光でも、ライン光でもよい。また、広帯域光ＬＳ１とワークＷとの相対的な位置を変化（走査）させてもよい。例えば、ライン光とワークＷとの相対的な位置をライン方向と直交する方向に走査すれば、広い範囲でワークＷの表面の３次元形状を把握することが可能になる。

以上説明したように、実施形態に係るによれば、観察対象物の全焦点画像を容易に取得するとともに、表面各部の高さを視覚的に把握できる光学観察装置１，１Ｂ及び光学観察方法を提供することが可能になる。

なお、上記に本実施形態およびその適用例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施形態またはその適用例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

１，１Ｂ…光学観察装置
１０…光源
２０…イメージファイバ
２０ａ…第１端面
２０ｂ…第２端面
２０ｃ…コア
２１…光源
３０…結像レンズ
４０…対物レンズ
５０…ビームスプリッタ
６０…撮像部
７０…信号処理部
Ｗ…ワーク

Claims (5)

1. 広帯域光を出射する光源と、
   第１端面及び第２端面を有し、前記第１端面及び前記第２端面において複数のコアの端面が２次元配列されたイメージファイバと、
   前記イメージファイバの前記第１端面側に設けられ、前記第１端面から出射された光を結像面に結像させる結像光学系と、
   前記イメージファイバの前記第２端面側に設けられ、光軸上において軸上色収差を有し、前記第２端面から出射され観察対象物に向かう光を集束させる軸上収差光学系と、
   を備え、
   前記イメージファイバは、前記光源から出射された光を前記第１端面から取り込んで前記第２端面へ伝達するとともに、前記観察対象物の表面で反射及び散乱し前記軸上収差光学系を介して集束され前記第２端面上の前記複数のコアごとに合焦した光を前記第２端面から取り込んで前記第１端面へ伝達することを特徴とする光学観察装置。
2. 前記軸上収差光学系は、前記複数のコアのそれぞれから出射し前記観察対象物の表面で反射及び散乱した光のうち、前記観察対象物の表面に合焦する波長の光を前記第２端面上の出射元のコアに結像させることを特徴とする請求項１記載の光学観察装置。
3. 前記結像光学系は、前記軸上収差光学系と前記観察対象物との距離に対応した波長の光を前記結像面に結像させることを特徴とする請求項１または２に記載の光学観察装置。
4. 前記光源は、白色光源であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光学観察装置。
5. 軸上色収差を有する軸上収差光学系を介して広帯域光を観察対象物に照射する工程と、
   第１端面及び第２端面を有し、前記第１端面及び前記第２端面において複数のコアの端面が２次元配列されたイメージファイバを用いて、前記観察対象物の表面で反射及び散乱し前記軸上収差光学系を介して集束され前記第２端面上の前記複数のコアごとに合焦した光を前記第２端面から取り込んで前記第１端面へ伝達する工程と、
   前記第１端面から出射された光を結像光学系を介して結像面に結像させる工程と、
   を備えたことを特徴とする光学観察方法。