JP2016130717A

JP2016130717A - 球面検査装置

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Abstract

【課題】表面に球面または非球面を含む被検面を有する被検部材の被検面の全体または一部を広い視野でかつ高精度に外観検査する落射または透過照明球面検査装置を提供する。【解決手段】被検部材１の被検面１ｂの一次像をテレセントリックな実像または虚像として作る対物レンズ３と、対物レンズ支持台９０ｂと、前記対物レンズが作る一次像をリレーして二次像を作る像リレーレンズ４と結像レンズ５とを有する組と、二次結像位置に取り付けた撮像素子６とを含む、前記検査光軸に沿って移動する像観察ユニット９０ｃと、光分割偏向ミラー７を配置することによって投光軸２１上に配置した円形光源１１からの光束を前記対物レンズの焦点位置に円形光源像を結像させる落射投光ユニット９０ｄと、を有し、前記円形光源の大きさ、又は前記被検部材を照明する開口数即ち照明ＮＡは可変であることを特徴とする落射照明球面検査装置。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも一部の表面に球面または非球面を含む被検面を有する被検部材の被検面の全体または一部を広い視野で高精度に外観検査でき、観察可能な被検面の曲率半径の範囲が広く、かつ被検面曲率中心から被検面の外径をみる円錐角が大きい球面をほぼ平面像として観察できる落射または透過照明球面検査装置に関する。

光学ガラスや樹脂で作られたレンズあるいは金属で作られるモールドレンズ用金型や鋼球等の検査では、被検部材の球面部表面の傷や汚れ、ボツと呼ばれる小さな表面の欠落、あるいは加工不良による金型球面上のうねり、刃物痕などを高精度で広い範囲を一括して検査できる手段や装置が求められている。

従来、球面の外観検査は球面部表面に様々なタイプの照明光を照射し、球面部を搖動させながら裸眼やルーペを用いて目視観察している。しかし、熟練した技術が必要であり誰もが簡単にできるものではなかった。さらに、目視検査では欠陥の存在は認識できても欠陥の大きさが測定できない不具合があった。また、顕微鏡を用いる球面検査は球体の頂点と周辺とではピント位置が異なるため観察範囲が狭く球面表面を一括検査できない上に照明法によっては観察できる欠陥種が限定されるなどの不具合があった。

このような問題を解決するため、球面表面を検査する装置として特許文献１や特許文献２及び特許文献３に開示される球面検査装置がある。
特許文献１に開示される球面検査装置は、透過型顕微鏡を基本光学系として用い、小さな散乱円形光源（以下円形光源）を被検レンズの焦点位置に投影し、円形光源像からの照明光束で被検レンズ両面の球面全面を照明する。被検レンズを透過した照明光はアフォーカルな光束となって物体側にも結像側にも略テレセントリックな結像光学系に入射し、結像光学系の結像位置に置いたカメラの撮像面に被検面像を作る透過照明球面検査装置である。球面検査装置は被検面の頂点と周辺に高さの違いがあっても球面を平面像に近く表現することができる。かつ被検レンズ毎に異なる焦点距離や中心厚及び被検面の曲率半径や外径等の違いに対して、被検レンズの焦点に小さな円形光源を投影する焦点距離や開口数の異なる投光レンズを用意することによって幅広く対応できた。しかし、被検レンズに透過照明を行う必要から素材が金属であるレンズモールド型や鋼球には使用できなかった。特許文献１は球面表面を平面に近い精細な画像として表現する基本光学技術や被検球面の曲率半径の違いに広範囲で対応する技術を説明している参考文献である。

特許文献２に開示される落射照明球面検査装置は、小さな円形光源を対物レンズの焦点に円形光源像として投影し、円形光源像に被検球面の曲率中心を合致させて被検球面を照明し、被検球面表面からの反射光を対物レンズと結像レンズで画像センサー上に写しだす落射照明球面検査装置である。詳しい説明は、特許文献３が特許文献２の基礎となる先行技術であることとその他の異なる落射照明球面検査装置の先行技術も併記されていることから特許文献３の説明後に行う。

特許文献３は大きな曲率半径を持つ球面の落射照明球面検査装置として開示され、以下の３つの技術が記載されている。
特許文献３の請求項の具体的構成を表す図１及び図２に記載する技術と、請求項の対物レンズと結像レンズの位置関係を対物レンズの像側焦点と結像レンズの物体側焦点とを合致させた構成（以下テレセントリックな構成と称するが、この構成では必ずしもテレセントリックな像を結像するものではない）とした図３に記載する技術と、被検球面を設置する光学位置が図３と異なるその他の実施例の図４及び図５に記載の技術との３つの技術からなっている。

特許文献３の図１と図２の構成（以下請求項の構成）は、ランプで照明された拡散板上に円形スリットを配置した円形光源を投光レンズも兼ねる対物レンズで対物レンズの光軸上の任意の位置に投影し被検球面の曲率中心を円形光源像と合致させさせたうえで円形光源像からの光束で被検球面を照明する。被検球面からの反射光は、照明光と同じ光路をたどり対物レンズを通過し円形光源方向に戻るが、円形光源と対物レンズ間に配置した光分割偏向ミラーで対物レンズ光軸と直交方向に偏向される。偏向された光軸には結像レンズが配置されており、結像レンズと対物レンズとの合成によって被検球面の像をセンサー上に作る落射照明球面検査装置が開示されている。
図３の構成（以下実施例１）は照明系を図１に記載の構成のまま、前記対物レンズと結像レンズの構成例として前記対物レンズと結像レンズをテレセントリックな構成としたうえで被検球面を対物レンズの焦点位置に置き、被検球面の曲率中心に円形光源像を投影し円形光源像からの光束で被検球面を検査する。

図４と図５の構成（以下実施例２）は同じく構成例として対物レンズと結像レンズのテレセントリックな光学構成は図３をそのままに、新たに付加した集光（投光）レンズの焦点位置に円形光源を配置しアフォーカルな光束を対物レンズに入射させものである。実施例２では対物レンズの焦点位置にできる円形光源像に被検球面の曲率中心を合致させて球面検査をする。この場合、被検球面の曲率中心に向かった光は被検球面で反射した後入射した光路をそのままたどり、対物レンズを通過した後も入射時と同じく対物レンズの光軸に平行に進む。そして、ハーフミラーによって偏向された後、結像レンズに入射し対物レンズと結像レンズの合成で被検球面の像を作るものである。

特許文献３に記載の３つの構成を分類すると請求項の構成は対物レンズ光軸の任意の位置に投影した円形光源像に被検球面の曲率中心を合わせるもの、実施例１の構成は対物レンズの焦点に被検球面を置き、その曲率中心に円形光源像を投影するもの、実施例２の構成は対物レンズの焦点すなわち円形光源像に被検球面の曲率中心を合致させるものである。つまり被検球面が対物レンズの焦点にある実施例１と、被検球面が対物レンズの焦点にない請求項の構成と実施例２の構成では違いはあるものの、被検球面の曲率中心に光源像を投影する点は同じである。

特許文献２は記載されている図１、図３を視るかぎり、特許文献３の実施例２の変形である。特許文献３の請求項の提案光学系には被検球面の光学的な位置が記載されていないが、図からは特許文献２は対物レンズの焦点位置に被検球面の曲率中心を合致させるとの意図であるとわかる。特許文献２の構成は特許文献３の実施例２の構成から対物レンズと結像レンズをテレセントリックな配置に固定しないことによって対物レンズと結像レンズの間隔に自由度を持たせ、かつ結像レンズの焦点に置いたアパーチャーストップによって結像光束のＮＡ、即ち開口数を絞り被検球面像のコントラストと焦点深度を高め検査可能な被検球面曲率半径の幅を広げていると言える。また、特許文献３では光源を可視光の点光源にしてあることは円形光源像の大きさを規定しており重要な記載事項である。

しかしながら、これら特許文献の落射照明球面検査装置には以下に述べるような問題があった。
まず、これら特許文献に共通な問題である光源の大きさについて説明する。特許文献２では点光源と記載され、特許文献３では円形スリット（光源）とのみ記載されているが、どのような大きさかは記載されていない。他方、特許文献１では円形光源像から被検球面の一点を照明する照明ＮＡ（本願の図４に示す）を規定している。点光源を用いて作る像は高コントラストだが解像力は低く、一方、照明ＮＡが大きいと解像力が上がると一般的に言われる。しかし、照明ＮＡは大きければよいというものでない。この理由は、解像力もコントラストも装置の目的ごとにある値の照明ＮＡを持つことが重要だからである。特許文献２及び３の装置では、照明ＮＡが大きすぎると被検球面から反射した光は大きな光束のまま対物レンズと結像レンズを通過するので結像光学系設計の収差補正に負担が生じたり、使用するレンズの口径を大きくしないと像の周辺光量不足や視野のケラレを発生させることになる。よって、照明光を照射して画像を得る検査装置では照明ＮＡを規定することは重要である。この問題は、照明ＮＡは円形光源の大きさと被検球面の曲率半径に依存することから、小さな曲率半径で大きな球面角（本願の図４参照）を持つ球面検査の場合顕著に現れる。なお、観察可能な被検球面の外径と曲率半径が作る円錐角の１／２を視野角と称する。また、本願において被検球面との外径と曲率半径が作る円錐角の１／２を球面角とする。

次に装置毎の不具合を説明する。特許文献１に記載の透過照明球面検査装置では、被検球体が金属等不透明な素材から作られていた場合には被検球面の検査はできない。
特許文献２に記載の落射照明球面検査装置は、被検球面が対物レンズの焦点にない特許文献３の実施例２の構成と同じことから像形成の説明は特許文献３の説明の後に記述する。
特許文献３の落射照明球面検査装置不具合について説明する。特許文献３は前述したように３つの技術が開示されており、以下それぞれの装置について説明するが、大きくまとめると光源の投影光学系に関わる検査可能な被検球面の曲率半径の範囲に関する不具合と得られる被検球面像の質に関する不具合がある。

特許文献３の実施例１の構成では、被検球面を対物レンズの焦点位置に置き被検球面の曲率中心に円形光源像を投影し、円形光源像からの光束で被検球面上の全ての点を照明する。この時の被検球面の結像について本願の図８で説明する。なお、図をわかりやすくするために対物レンズと結像レンズの焦点距離と被検球面の曲率半径は同じとし、結像レンズは光軸上を移動可能な構成としている。また、同じ意図から、特許文献３記載の図を本願の図では光源の位置を対物レンズの光軸からハーフミラーで偏向された第２のレンズ（結像レンズ）の光軸に、第２のレンズ（結像レンズ）は対物レンズ光軸に光学上等価の位置に移動させてある。なお、図８の実線と点線は文献３の実施例１の説明、破線は文献３の請求項の構成の説明である。

対物レンズＬ１から射出され、円形光源像ｃを作る光線束のうち被検球面ｄ１上の１点ｅ１を照明するある値の照明ＮＡを持った光束は点ｅ１で反射した後、照明光と同様な経路を対物レンズＬ１へ進み、対物レンズＬ１で平行光束となり、光源の位置と共役な位置に瞳ｈを作る。この瞳に結像レンズＬ２の物体側焦点を一致させると結像レンズＬ２は像側焦点に被検球面像ｅ１’を作る。この像は瞳を満たしているので明るく周辺光量の低下もないテレセントリックな像であり、ピントがずれても像が流れない良好な像である。しかし、結像レンズＬ２をＬ２’の位置に移動するとｅ１’は点線の光路で示すｅ１１’に移動する。この像は大きさの変化はないが、結像レンズが前後に移動する量によって像のテレセントリックさがなくなってしまうし、周辺光量不足や像のケラレも現れる。よって、この光学系でテレセントリックな像を得るには結像レンズＬ２を被検球面の曲率半径によって円形光源の位置を移動することになるが、これに応じて瞳位置も移動することから結像レンズＬ２も移動しなければならない。
以上の説明から、対物レンズＬ１と結像レンズＬ２とがテレセントリックな構成であることは必ずしも必要としないことがわかる。
また、特許文献３の実施例１の構成の利点としては、結像レンズＬ２と被検球面像ｅ１’間距離は変わらないので結像レンズＬ２とカメラを一体化できることやピント合わせ作業は被検球面の移動だけで行えることがある。
また、装置の大きさについての観点からは、被検球面の位置が固定されるために被検球面を光軸に沿って移動する必要はなく小型の装置を作ることができる利点もある。

曲率半径が小さくかつ球面角が大きい球面の検査においては、まず小曲率半径球面では前述したとおり被検球面の１点からの反射光束のＮＡは光源像の半径を被検球面の曲率半径で除すことから照明ＮＡは大きくなり前記したように被検球面の結像性能（解像度や像のケラレ等）に支障をきたすことになる。球面角が大きい球面では被検球面全面から反射する光束（一点からの反射光の集合光束）は球面角の増大と共に大きくなり対物レンズがこの光束を捉えられなくなり、像のケラレや周辺光量不足を発生させる。また、対物レンズ自体も高度な収差補正がされていなければならない。
なお、対物レンズＬ１と結像レンズＬ２をテレセントリックな構成にしたままで被検球面の曲率半径が変化したとしても常にテレセントリックな像が得られる条件は被検球面からの反射光がテレセントリックなるとき、すなわち、本願の図９の実線図に示すように円形光源像ｃを曲率半径の略１／２、つまり被検球面の焦点に投影した時である。この時、対物レンズＬ１と結像レンズＬ２とカメラ間の間距離の調整も光学系全体の移動もなく常にテレセントリックな像を得ることができる。しかし、視野径は曲率中心に円形光源を投影した時より対物レンズ（投光レンズ）と被検面の距離と被検球面の曲率半径に由来する割合で小さくなる不具合を持つ。図９の破線図は被検球面の曲率中心に光源像を投影した時の光線図である。

特許文献３の実施例１で検査可能な曲率半径の範囲について図８で説明する。特許文献３の実施例１の構成では被検球面が対物レンズの焦点位置にあるため、凹被検球面検査においては円形光源像を被検球面の対物レンズ側に投影しなければならない。しかし、投影光学系は対物レンズ一枚しかないので、対物レンズの焦点距離内にすなわち被検球面と対物レンズ間に対物レンズは円形光源像を作ることができない。よって、凹面被検球面検査の場合対物レンズの焦点距離より小さい曲率半径の凹被検球面の検査はできないことになる。この範囲外の凹凸被検球面検査では、光源をハーフミラーに干渉しない範囲で対物レンズの像側焦点位置の前後で移動すれば光源像を対物レンズの物体側（実像）と像側（虚像）を作ることができるので球面の検査は可能となる。
曲率半径が小さい凹凸球面は、前述したとおり光源像から被検球面全体の１点を照明する反射光束の照明ＮＡは大きくなり被検球面の観察に支障をきたすことになる。

次に実施例２の説明を図１０で行う。図１０もわかりやすくするため、光源や結像レンズの位置は特許文献３の図と等価の位置に変更してある。実施例２の構成では、対物レンズＬ１には投光レンズＬ３からのアフォーカルな光束が対物レンズＬ１の焦点に円形光源像ｃを作るので、この円形光源像ｃに被検球面ｄ１の曲率中心を合致させる。被検球面は焦点位置にないことから円形光源像から被検球面を照明した光は被検球面で反射し、入射光と同じ経路をたどり再び対物レンズＬ１の物体側焦点を通り対物レンズＬ１によって被検球面の曲率半径の大きさに係らず同径のテレセントリックな一次像ｅ１’を実像または虚像で作る。結像レンズＬ２はこの一次像ｅ１’の二次実像ｅ１”を撮像素子上に作らないと被検球面の像を得ることはできない。二次像ｅ１”が実像として結像するもっとも好ましい条件は、一次像に光軸上を移動可能な結像レンズＬ２のピント位置を合致させることである。この時できる像はテレセントリックな像ではないが、結像レンズＬ２と二次像ｅ１”間距離は固定でき、結像レンズＬ２とカメラを一体化して移動すれば二次像が得られる。
対物レンズＬ１と結像レンズＬ２をテレセントリックに構成した場合を含め、対物レンズＬ１と結像レンズＬ２間を固定した場合、例えば、図１０に示す配置で対物レンズＬ１と結像レンズＬ２を固定したうえで被検球面ｄ１の曲率半径より小さな凹面被検球面ｄ２の検査をする場合、一次像ｅ２’は破線で示すように結像レンズＬ２の物体側焦点から結像レンズＬ２の間にできることになるが、この時、結像レンズＬ２はカメラ側に実像を作ることができなくなる。よって、凹面被検球面は曲率半径によっては検査ができなくなる範囲がある。
この現象は対物レンズと結像レンズがテレセントリックな構成である場合にも発生する。そもそも、対物レンズＬ１と結像レンズＬ２をテレセントリックな構成にした場合の光学的効果は、被検物からのテレセントリックな光線を対物レンズＬ１が平行光束としてその焦点位置に瞳を作り結像レンズＬ２がこの光束をテレセントリックな像として結像させるときに発揮されるものであり、これに近い実施例１では効果があるものの本実施例２では全く光線の形態が異なることから対物レンズＬ１と結像レンズＬ２をテレセントリックな構成にしても光学的な効果はない。

特許文献３の実施例２で検査可能な曲率半径の範囲について説明する。特許文献３の実施例２の構成では円形光源像のできる位置は対物レンズに入射する光束がアフォーカルなため対物レンズの焦点位置に固定される。被検球面は曲率中心を円形光源に合致させて置かれるので、凹面で被検球面の場合は、円形光源から曲率半径分対物レンズから遠ざかる方向に置かれ、凸面の被検球面は円形光源から曲率半径分対物レンズ側に置かれる。この場合、凹面被検球面の一次像は結像レンズの物体側焦点と結像レンズ間内にできることが曲率半径の広い範囲で発生することや、超大曲率半径の検査では被検部材載置台を対物レンズから遠く離れておくことになるので被検面の検査ができなくなる。凸面非球面の場合は対物レンズと被検球面が干渉してしまうために検査可能な曲率半径は円形光源と対物レンズ間の距離すなわち対物レンズのほぼ焦点距離内となる。また、小さい曲率半径の検査は凹凸共に実施例１と同様な検査できない不具合を持つ。

特許文献３の請求項の構成での像形成の説明を図８の破線図を用いて行う。円形光源ａは対物レンズＬ１によって焦点位置とは異なる任意の位置（分かりやすくするために実施例１の図を借用し対物レンズＬ１から２Ｒの位置（ここでＲは被検球面の曲率半径）に円形光源像ｃを作り、円形光源像に凹被検球面ｄ２の曲率中心が合致させられている。この時、光源像と被検球面間をわかりやすくＲ（＝ｆ）程度とすると、対物レンズＬ１は被検球面の一次像ｅ２’を、対物レンズＬ１の焦点と結像レンズＬ２との間に被検球面ｄ２の曲率半径に由来した大きさで作る。よって、一次像に等倍設定の結像レンズＬ２のピントを合わせて二次像ｅ２”を作る場合、二次像は被検球面ｄ２の曲率半径が変わるごとに像の大きさの異なるテレセントリックでない被検球面の像を作ることになる。また、対物レンズと結像レンズを固定すると、特許文献３の実施例２と同じく一次像が結像レンズの物体側焦点距離内にできると像ができない曲率半径の範囲が発生する。

特許文献３の請求項の構成で検査可能な曲率半径の範囲について説明する。本構成では、円形光源像を任意の位置に投影できるので凹凸面ともに検査可能な曲率半径の範囲は単純な光学計算からは広い。
しかし、一次像の位置と倍率は被検球面の曲率半径の変化によって都度大きく変化し、結像レンズの移動によるピント合わせができなくなったり、像が大きくなりすぎたり小さくなりすぎて検査できなくなってしまう。
また、対物レンズと結像レンズ間を固定すると特許文献３の実施例２で説明したことと同じ現象が発生する。
小さい曲率半径に対する不具合も特許文献３では同様に持っていることから実際の使用では凹凸球面共に検査する曲率半径を適当な範囲に設定して使用しているものと思われる。

特許文献２では、光学構成を対物レンズの焦点位置にできる光源像に被検球面の曲率中心を一致させて被検球面を観察する構成としている。特許文献２は特許文献３の実施例２の構成の簡易型であり、結像レンズの焦点位置に適当な大きさの開口を設けて結像側のＮＡを絞り像の鮮明度を上げ、かつ、撮像素子を移動させ被検球面を撮像している。この光学構成は点光源レーザー用いたフィゾー型の干渉計に使用される被検面の観察視野径を撮像するときなどに用いられるもので、解像力を重視する装置には使われない。よって、ごみキズ等の外観検査機として使うには解像力が足りない。
また、基本的な光学構成が文献３の実施例２と同じことから像の結像の可否やテレセントリックな像でないことなど同様な不具合を持つ。また、小さな曲率半径の球面に対しては、点光源像を投影できるのであるが、点光源であるがゆえに観察可能なすべての球面に対して撮像できる像は高コントラストであっても解像力は低く球面の外観検査機としての解像力不足があった。

特許文献２と３に共通している不具合は、照明ＮＡが大きすぎるか小さすぎるかによる小さい曲率半径の検査において像がケラレたり像の鮮明度がないなどで被検球面の観察ができない照明ＮＡに関する不具合、光学構成上像が得られない曲率半径の範囲がある不具合、得られる像の大きさや結像位置が変わる不具合、及び像がテレセントリックでない等の像の質に関する不具合等である。また、検査光学系を簡単に変更することによって透過照明観察が可能なシステムを構築することができなかった。

特開２０１０−１５６５５８号公報特開２０１１−１０７０９２号公報特開昭５６−１５７８４１号公報

本発明は、以上のような従来の欠点に鑑み、少なくとも一部に表面に球面または非球面を含む被検面を有する被検部材の被検面の全体または一部を広い視野でかつ高精度に外観検査でき、かつ観察可能な被検面の曲率半径の範囲が広く被検面曲率中心から被検面の外径を見る円錐角が大きい被検部材を検査する落射または透過照明球面検査装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、表面の少なくとも一部に球面または非球面を含む被検面を有する被検部材の落射照明球面検査装置であって、
前記被検面の一次像を略１倍のテレセントリックな実像または虚像として作る焦点距離または開口数の異なる対物レンズ群と、
前記対物レンズ群から選択された第１の対物レンズが他の対物レンズと同軸に着脱互換可能で取り付けられる対物レンズ支持台と、
前記被検部材を載置し、前記被検部材を前記対物レンズの光軸、即ち検査光軸に沿って移動させる被検部材載置移動台と、
前記第１の対物レンズが作る一次像をリレーして二次像を作り、物体側、即ち一次像側にも二次結像側にも略テレセントリックな関係にある像リレーレンズと結像レンズとを有する組と、前記結像レンズの二次結像位置に取り付けた撮像素子と、前記撮像素子からの信号を画像として表示するモニターとを含む、前記検査光軸に沿って移動する像観察ユニットと、
前記第１の対物レンズと前記像リレーレンズとの間、または前記像リレーレンズと前記結像レンズとの間に光分割偏向ミラーを配置することによってできる前記検査光軸と直交する光軸、即ち投光軸上に配置した円形光源と第１の投光レンズユニットと前記光分割偏向ミラーとを有し、前記第１の投光レンズユニットが作る光束を前記光分割偏向ミラーを介して前記第１の対物レンズに送り前記第１の対物レンズの焦点位置に円形光源像を結像させる第１の落射投光ユニットとを有し、前記円形光源の大きさ、又は前記被検部材を照明する開口数即ち照明ＮＡは可変であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の落射照明球面検査装置において、前記第１の落射投光ユニットが前記像リレーレンズと前記対物レンズ間にある場合、前記第１の落射投光ユニットの前記第１の投光レンズユニットは、前記円形光源に焦点を合わせたコリメートレンズを含む第２の投光レンズユニットとを有し、前記第２の投光レンズユニットが作るアフォーカルな光束を光分割偏向ミラーを介して前記第１の対物レンズに送ることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の落射照明球面検査装置において、前記第１の落射投光ユニットが前記像リレーレンズと前記結像レンズ間にある場合、前記第１の落射投光ユニットの前記第１の投光レンズユニットは、前記円形光源に焦点を置いた前記コリメートレンズと、円形光源像を作る投光レンズを有する第３の投光レンズユニットであり、前記第３の投光レンズユニットが作る前記円形光源像を前記像リレーレンズの焦点と共役な位置に投影し、前記光分割偏向ミラーと前記像リレーレンズを介してアフォーカルな光束を前記第１の対物レンズに送ることを特徴とする。

これらの発明によれば、落射球面検査装置は小さな円形面光源を備え、対物レンズが物体側焦点に作る円形光源像の中心に被検面の曲率中心を一致させて被検面を置き、被検面の検査領域の全域を小さな照明ＮＡで照明する。この時、被検面は対物レンズの焦点距離と略等しい曲率半径を持つように選択されているので、被検面が凹面の場合、被検面からの反射光は照明光と同じ経路で対物レンズを通過し、対物レンズの像側焦点距離の略２倍の位置に略１倍の一次実像をテレセントリックに作る。被検面が凸面であれば、同様に対物レンズの像側主点位置に略１倍の一次虚像をテレセントリックに作る。

よって、テレセントリックに結像されている像を少なくても物体側にテレセントリックな結像光学系を用いて一次像を観察すると被写界深度の深い像を得ることができ、また、物体側と結像側の両側にテレセントリックな結像光学系を用いれば、さらに焦点深度の深いピントが欠陥からずれても欠陥像が流れるように動くことがなく、観察に適正なＮＡでの照明と相まって従来の検査方法よりコントラストの高い良好な球面の像を略平面として観察できる。特に曲率半径が小さく球面角の大きい球面の検査に好適である。
ここで、第１の投光レンズユニットは第２の投光レンズユニットと第３の投光レンズユニットとその他の形態の投光レンズユニットを含むものと定義する。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか一つに記載の落射照明球面検査装置において、前記円形光源の大きさは、前記第１の対物レンズが作る前記円形光源像から前記被検面を照明する照明ＮＡが０．００５〜０．０５の範囲内であることを特徴とする。

この発明によれば、照明ＮＡが０．００５〜０．０５の範囲の小さな照明ＮＡで被検面全域の点を照明することから焦点深度が深く、コントラストも解像度も良い装置の目的に適した像を作ることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか一つに記載の落射照明球面検査装置において、前記対物レンズ群に含まれるそれぞれの前記対物レンズが作る前記円形光源の結像位置、即ち前記対物レンズの焦点位置が略同一位置であることを特徴とする。

この発明によれば、前記被検部材支持台に被検部材の被検面を前記対物レンズに向けて置く場合に、対物レンズ群からどのレンズを選択しても対物レンズの略焦点位置に被検面を置くことができる。よって、対物レンズの焦点位置に被検面を合致させ易くなる。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか一つに記載の落射照明球面検査装置において、前記対物レンズ群に含まれるそれぞれの前記対物レンズが作る前記被検面の一次像位置が略同一位置であることを特徴とする。

この発明によれば、対物レンズ群からどの対物レンズを選択しても像リレーレンズの一次像のピント合わせが容易となる。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか一つに記載の落射照明球面検査装置において、前記対物レンズ支持台を前記検査光軸に合致させて着脱できることを特徴とする。

この発明によれば、対物レンズが不要である場合、対物レンズ支持台を取り外すことができ、また、対物レンズ支持台が必要なときには取り付けることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の落射照明球面検査装置において、第２の落射投光ユニットは前記第１の落射投光ユニットと交換取付け可能であって、
前記円形光源と前記第２の投光レンズユニットと前記光分割偏向ミラーと第２の対物レンズとを含み、
前記第２の落射投光ユニットが前記像リレーレンズと被検部材との間に設けられる場合に、
前記第２の落射投光ユニットは、前記円形光源と前記第２の投光レンズユニットと前記光分割偏向ミラーとが同軸に対物板に取付けられ、かつ前記第２の対物レンズは前記検査光軸と同軸に取付けられていることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の落射照明球面検査装置において、前記第２の落射投光ユニットは前記投光軸に沿って移動可能な一軸ステージに取付けられ前記検査光軸と略合致して挿脱可能なことを特徴とする。

これらの発明によれば、第２の落射投光ユニットは円形光源と第２の投光レンズユニットと光分割ミラーと対物レンズとが対物板に固定され一体となっていることから対物レンズを使用する小曲率半径高球面角を持つ球面の検査時は第２の落射投光ユニットは検査光軸に略合致して挿入され、透過照明検査時には第２の落射投光ユニットは検査光軸から離脱される。よって、１軸ステージを移動する操作だけで落射検査と透過検査が切替え可能となる。

請求項１０に記載の発明は、請求項７に記載の落射照明球面検査装置において、
前記第３の落射投光ユニットは第１の落射投光ユニットと交換取付け可能であって、
前記第３の落射投光ユニットが前記像リレーレンズと被検部材との間に設けられる場合に、
前記第３の落射投光ユニットは、前記投光軸上に配置された前記円形光源と、
前記円形光源に焦点を略合致させたコリメートレンズとコリメートレンズが作るアフォーカルな光束中に配置され、着脱互換可能な開口数または焦点距離の異なる交換投光レンズ群から選択された交換投光レンズとを有する第４の投光レンズユニットとが一体の組となっており、
前記第３の落射投光ユニットは、前記円形光源と前記第４の投光レンズユニットの組が投光軸上を移動できる案内部をもった移動ガイドと前記光分割偏向ミラーとが同軸に対物板に取付けられ、
前記第３の落射投光ユニットは、前記円形光源と第４の投光レンズユニットの組が前記光分割偏向ミラーに対して投光軸上を前記移動ガイドの案内部に沿って移動し前記交換投光レンズが作る前記円形光源像を前記光分割偏向ミラーを介して前記検査光軸に送り、前記円形光源像を前記検査光軸上で移動させることを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の落射照明球面検査装置において、前記第３の落射投光ユニットは前記投光軸に沿って移動可能な一軸ステージに取付けられ、前記検査光軸と略合致して挿脱可能なことを特徴とする。

これらの発明によれば、第３の落射投光ユニットは対物板に固定され一体となっていることから対物レンズを使用しない大曲率半径小球面角を持つ球面の検査と透過照明検査を切り替える場合、第３の落射投光ユニットは検査光軸に略合致して挿入され、透過照明検査時には第３の落射投光ユニットは検査光軸から離脱される。よって、１軸ステージを移動する操作だけで落射検査と透過検査が切替え可能となる。

また、これらの発明によれば、被検面への円形光源を投影する際に投影光学系が対物レンズや像リレーレンズなど結像に係るレンズを利用しない独立した光学系であるために円形光源を検査軸上の任意の位置に投影することができるので、特許文献３の実施例１の不具合、すなわち凹被検球面では曲率半径が対物レンズの焦点距離より短い場合に球面の検査ができない不具合等を解消できる。

また、これらの発明によれば、被検面の視野径は視野角で決まるので投光ユニットが被検面を照明する投光レンズからの円形光源像を作る光束の開口角（視野角）は可能なかぎり大きくし、そして大きな開口角のまま光源像を被検面の所定に位置に投影する。この時、光束の開口角を変化させずに所定の位置に光源像を投影するには円形光源と投光ユニット全体がそのまま移動できればよい。

また、これらの発明によれば、曲率半径が中〜大で球面角の小〜中の被検面の落射照明検査時に被検面の曲率中心、または、曲率半径の略１／２の位置、つまり前記被検面の焦点位置に円形光源像を投影する場合と、透過照明球面検査を切り替えて行う場合に有用である。

請求項１２に記載の発明は、請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の落射照明球面検査装置において、前記像観察ユニットは前記像リレーレンズと前記結像レンズ間にズーム光学系を含み、前記像リレーレンズは焦点距離または開口数の異なる像リレーレンズが、または、前記結像レンズは焦点距離または開口数の異なる結像レンズが着脱可能であることを特徴とする。

この発明によれば、被検面の外径が小さいものから大きいものまで検査が可能になる。請求項１に使用する像リレーレンズは観察可能なレンズ径の範囲を広げる意味や開口数が小さくて良いことから０．５倍から２倍の低倍レンズが用いられる。よって、小さな径の被検面の検査には拡大した像を、大きな径の被検面の検査には縮小した像を撮像素子上に映し出せる。

請求項１３に記載の発明では、請求項１ないし１２のいずれか一つに記載の落射照明球面検査装置を含む透過落射照明球面検査装置において、前記被検部材を挟んで前記第１から第３の落射投光ユニットのいずれか一つの反対側に透過投光レンズを含む透過投光ユニットを前記第１から第３の落射投光ユニットのいずれか一つを配置し、前記被検面の透過照明球面検査と落射照明球面検査とが選択的に可能な透過落射照明球面検査装置であることを特徴とする。

この発明によれば、第１の落射投光ユニットを用いる落射照明球面検査装置では前記対物レンズ支持台を取り除き、落射照明球面検査装置の被検部材載置位置の反対側に透過投光ユニットを取付けることによって透過被検部材の透過照明検査が可能となる。

また、第２と第３の落射投光ユニットを用いる落射照明球面検査装置では被検部材載置移動台に落射照明球面検査装置の被検部材載置位置の反対側に透過投光ユニットを取付けることによって透過被検部材の透過照明検査が可能となる。

本発明は、球面の落射検査において、曲率半径が小さく球面角の大きい被検面に対して請求項１ないし９の構成を適宜用いて検査を行い、曲率半径が大きく球面角の小さい被検面に対しては対物レンズを用いない請求項１０および請求項１１の構成を用いて検査を行う。被検面の透過検査は請求項１３構成を用いて行う。
落射照明検査と透過照明検査に共通に用いる請求項１２は結像光学系の倍率と使用する撮像素子の大きさに係る項である。

透過照明検査では特許文献１に記載の装置を利用する。文献１に記載の内容から大きな曲率半径から小さい曲率半径の球面検査が可能である。落射の大曲率半径の球面は特許文献３に記載の実施例１をそのまま使うか、被検面設置位置を対物レンズの焦点位置としたうえで、円形光源の投影位置を被検球面の焦点位置（曲率半径の１／２）に変更する。焦点位置に円形光源を投影した場合は、結果として特許文献１の透過照明検査の被検レンズの焦点に光源像を投影したことと同じ検査原理となる。

本発明は、曲率半径が小さく球面角の大きい球面の検査に適した技術を提供すると共に過去の先行技術を簡単に組込みでき、様々な形状の被検面の検査可能な範囲を広くしたものである。

詳述すると、小さい曲率半径で大きい球面角を持つ球面の落射照明検査を可能にしたうえで、様々な形状、つまり外径、曲率半径、球面角の組合せ等を持つ球面または非球面の落射照明検査可能範囲を先行技術に較べて大きく広げたものである。その上で透過照明の検査装置との組合せも可能にし、略すべてのレンズやレンズ成形型の検査ができる。さらに、非球面レンズについても非球面度が小さければ可能であることを実験で確認した。

なお、テレセントリックな像を作るとの意味は、球面をあたかも平面像として表示するための工夫であり、コントラストが高くて焦点深度が深いピントがずれても像の大きさが変化しない像を得ることにあり、ほとんど欠陥のない研磨面中の欠陥を高コントラストで表示し欠陥の計測を可能としたものである。また、本装置が作るテレセントリックな像は一つの対物を選択すれば、視野角が決まるので、曲率半径が異なっても被検面の像の大きさは一定となり、ＣＣＤ等で撮像する場合に好適である。

また、従来できなかった大きい球面角を持つ球面表面全体を一画像の中に略平面像として容易に一括表現できる上に画像の質も高く５μｍ以下の球面上の欠陥を検出できた。また、本発明の装置は、特に精密な部品や製品を使うことなく、簡単な構成で操作性が良く、検査に要する時間が短縮できた。

図１本発明の第１の実施形態に係わる落射照明球面検査装置の概略全体構成を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係わる落射照明装置の円形光源装置の模式的な断面図である。本発明の第１の実施形態に係わる落射照明装置が位置を変更して像観察ユニット内に配置された場合の該略構成を示す模式図である。本発明で用いる球面角、視野角、照明ＮＡに関する図である。本発明の第１の実施形態に係わる照明法と結像に関する光学的な概念図である。本発明の第２の実施形態に係わる落射透過照明球面検査装置の概略全体構成を示す模式図である。光軸の右側は落射照明時、左は透過照明時の透過照明光学構成図である。本発明の第３の実施形態に係わる被検面の位置と被検面からの反射光および透過光の光路図である。光軸の右側は落射照明時、左は透過照明時の透過照明光学構成図である。特許文献３に係わる光学的な概念図である。特許文献３に係わる光学的な概念図である。特許文献３に係わる光学的な概念図である。本願の第１実施例の光学系の模式図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。また、第２の投光レンズユニットを用いる第１の落射投光ユニットを第１の落射投光ユニットＡ、第３の投光レンズユニットを用いる第１の落射投光ユニットを第１の落射投光ユニットＢとして説明する。ただし、第１の投光レンズユニットは第２、第３の投光レンズユニットに限定されるものではない。

図１は本発明の第１の実施形態に係る落射照明球面検査装置９０の概略構成を示す全体図であり、曲率半径が１〜３０ｍｍ程度であり、図４に示す球面角が６５度〜１７度程度である被検面１ｂの検査に好適な構成である。なお、図１は第１の落射投光ユニットＡ９０ｄを像観察ユニット９０ｃと対物レンズ支持台９０ｂ間に配置した図である。
第１の落射投光ユニットＡ９０ｄは、図２に示す円形光源装置１１の円形光源９と、円形光源９に焦点を合わせたコリメートレンズ８ａを含む第２の投光レンズユニット９１ａａと、光分割偏向ミラー７とで構成され、コリメートレンズ８ａが作るアフォーカルな光束を光分割偏向ミラー７を介して対物レンズ３に送る。本実施形態の説明は主に凹面の被検面１ｂの検査を例として説明する。

本実施形態の対物レンズ群９０ｅから選択した各々の対物レンズ３は物体側焦点位置３ｂに円形光源装置１１の小さな円形光源９の円形光源像３ａを作る。対物レンズ３は被検部材１の被検面１ｂの曲率半径に近い焦点距離のものが選ばれ、被検部材１は凹被検面１ｂの曲率中心１ａと円形光源像３ａを合致させて配置される。よって、被検面１ｂは対物レンズ３の物体側焦点距離の略２倍の位置となる。この配置で円形光源像３ａからの照明光で被検面１ｂを照明した場合、像側の焦点距離の略２倍の位置に凹被検面一次像３ｃを略１倍の実像で作る。また、対物レンズ物体側主点３ｈに凸被検面を置いた場合には像側主点３ｉに略１倍の凸被検面の一次虚像を作る。

対物レンズはこのような条件で明瞭な像を作るために補正されていなければならないが、実験的ではあるが、顕微鏡用の無限遠補正の対物レンズ、即ち落射観察用長作動距離対物レンズが該当する。顕微鏡対物レンズ群は一般に１００倍、５０倍、２０倍、１０倍でラインアップされており、倍率に応じて焦点距離と開口数（ＮＡ）が数列的に設定され、本装置に好適である。

実験では、これらの対物レンズの検査可能な被検面１ｂの曲率半径は使用対物レンズの焦点距離のより好適には０．５倍から１．５倍であり、検査可能な球面角（視野角）は対物レンズの開口数（ＮＡ）と同等である。具体的には、顕微鏡用１００倍対物レンズは焦点距離が例示的には２ｍｍでＮＡは０．９程度であるので、検査可能被検面１ｂの曲率半径は１〜３ｍｍ、視野角≦６５度（ＮＡ＝０．９）、同様に５０倍レンズでは曲率半径は２〜６ｍｍで視野角≦４５度（ＮＡ＝０．７）、２０倍レンズでは曲率半径は５〜１５ｍｍで視野角≦３０度（ＮＡ＝０．５）、１０倍レンズでは曲率半径は１０〜３０ｍｍで視野角≦１７度（ＮＡ＝０．３）程度あり、この範囲の球面の検査が可能となる。

凸被検面１ｂの検査では対物レンズ物体側主点３ｈが対物レンズのＷＤ、即ちワーキングディスタンス内にあり、ＷＤが対物レンズの焦点距離の１．５倍ほどあることが望ましく、ない場合は対物レンズ３と被検面１ｂが干渉して被検面１ｂの検査ができなくなる。

なお、一つの対物レンズを使用して曲率半径が異なる被検面１ｂを観察する場合、視野角の等しい被検面１ｂの一次像は図５に示すように、対物レンズの瞳径と同径の像を作る。つまり像の大きさは変化しないが、像の倍率と結像位置は異なる。

また、対物レンズ群９０ｅの各々の対物レンズ３は対物レンズ支持台９０ｂの対物レンズ枠３ｇに挿入されたときに各々の焦点位置が同一となるためにアダプター枠３ｆが設計され、一次像位置を同一位置にするために凹被検面１ｂ用と凸被検面１ｂ用のアダプター枠３ｆが一つの対物レンズに対して２種計３種が用意されている。この理由は、操作性の観点から対物群のどの対物レンズが選択されても、被検面の設置位置を同一位置として被検面表面を探しやすくでき、また一次像位置を略像リレーレンズのピント位置に設定しピント合わせが容易にできることである。

本実施例の被検部材載置移動台９０ａは被検部材１が光の透過、不透過にかかわらず被検部材１を載置し、図示しない芯出し装置で被検面１ｂの光軸を検査光軸２０に合わせた後、検査光軸に沿って図示しない一軸移動ステージによって紙面上下に移動させる。被検面１ｂ表面の中心１ｃを円形光源像３ａに合致させることによって被検面１ｂの位置を検出できるので、この位置を基準に凹被検面１ｂを曲率半径分対物レンズから遠ざけると被検面１ｂの曲率中心１ａを円形光源像３ａと合致させることができる。この時、図示しないモニター上に被検面１ｂの二次像６ａを得ることができる。
なお、被検面１ｂの位置の検出は、像観察ユニット９０ｃを移動し像リレーレンズ４のピント位置を対物レンズのほぼ像側焦点３ｊ付近に合わせ被検面１ｂを対物レンズに対して上下すると、図示しないモニター上の明るい円形部の径が変化する。この円形部の外径が最も大きくなった時が円形光源像３ａと被検面１ｂの曲率中心が一致した時である。

本実施例の対物レンズ支持台９０ｂは、落射照明球面検査装置９０のステージ板４０に位置決めされて着脱できるステー部材３ｅに、対物レンズ３を検査光軸２０に同軸で互換着脱することができる対物レンズ枠３ｇが取り付けられた対物レンズ取付板３ｄを含む構成であり、アダプター枠３ｆに取り付けられた顕微鏡対物レンズや他の対物レンズが検査光軸に位置決めされて落し込まれる。なお、対物レンズ支持台が着脱できる理由は、一般の顕微鏡検査に使うときや後述の大曲率半径を持つ球面の検査時及び透過照明検査において対物レンズと対物レンズ支持台が不要となるからである。

本実施例の像観察ユニット９０ｃは、対物レンズ３がテレセントリックに作る被検面一次像３ｃを捉えて結像レンズ５にリレーする像リレーレンズ４と、像リレーレンズ４と両側にテレセントリックな構成に配置された結像レンズ５が作る略テレセントリックな被検面１ｂの二次像６ａを撮像する撮像素子６と、撮像素子からの信号を画像として表示する図示しない表示モニターを含む。また、撮像素子からの信号は図示しないコンピュータ等に転送され画像処理装置や計測装置等により欠陥抽出や欠陥分類等の分析や計測が行われる。

像リレーレンズはワーキングディスタンスＷＤと口径の大きい無限遠設計のレンズが選択されることが好ましい。
以後の説明においても像リレーレンズと結像レンズは無限遠設計のレンズとして説明する。
ＷＤが大きい理由はスペースを確保して作業性を良くすることのほか、第１の落射投光ユニットＡ９０ｄを像リレーレンズ４と対物レンズ３との間に配置する場合に設置が容易になるからである。口径の大きい理由はテレセントリックレンズの観察視野は口径により決まることから大きな径を持つ被検面１ｂの観察に対応するためである。また、一次像の結像ＮＡが小さいことから像リレーレンズ４のＮＡ（開口数）も小さくてよく、結果として口径の大きい低倍のレンズが好適である。

像観察ユニット９０ｃの光学系は大きな視野を持ち、テレセントリックに像を形成し、焦点深度の深いコントラストの良い画像を得ることができる。また、装置の光学系は倍率が低いことから像リレーレンズ４と結像レンズ５との間にズームレンズ３０を持ち、像リレーレンズ４、結像レンズ５ともに焦点距離と開口数が異なるレンズと交換可能なことが望ましい。

落射投光ユニットの照明光束について説明する。本実施例の第１の落射投光ユニットＡ９０ｄは落射投光ユニットが像リレーレンズ４と対物レンズ３間に設置されるもので対物レンズに向けてアフォーカルな光束を送るが、この時、図５に示すように、円形光源９から同方向に向かう光線はコリメートレンズ８ａから射出された後にコリメートレンズ８ａの焦点平面８ａｆ上で交わる、いわゆるテレセントリックな照明で焦点平面を照明している。焦点平面を対物レンズ３が作る一次像平面３ｃに合致させると、焦点平面の１点から出る光は対物レンズ３を経て対物レンズの焦点で瞳（円形光源像３ａ）を作り、その後、被検面１ｂ表面の１点を照明し反射する。被検面１ｂ表面で反射した光は往路と同じ経路をたどり焦点平面の射出点に戻る。この光路図は対物レンズ３の収差補正ができていれば、球面を平面像として作ることを意味している。被検面１ｂが凸面であった場合は、対物レンズ物体側主点３ｈに置いた被検面１ｂは対物レンズ像側主点３ｉに虚像を作るので、コリメートレンズ８ａの焦点平面を対物レンズ像側主点３ｉに一致させればよい。つまり、対物レンズ３が作る一次像平面に像リレーレンズの焦点平面を一致させれば成立する。

上記の説明は、最も良好な照明条件に付いて述べており、実際の装置においてはコリメートレンズ８ａの焦点平面と一次像位置の合致精度は低くても効果は落ちない。対物レンズ３が作る円形光源像３ａは、上記のような調整をしなくても円形光源としての形態を損なわないので、円形光源像３ａから被検面１ｂの全面の点を照明していると考えればよい。

光分割偏向ミラー７が像リレーレンズ４と結像レンズ５との間にある場合は、第１の落射投光ユニットＢ９０ｆは図３と図３の９１ａｂとに示すように円形光源装置１１の円形開口９ｂに焦点を合わせたコリメートレンズ８ａと投光レンズ８ｂとを含み、投光レンズ８ｂが作る円形光源像は像リレーレンズ４の像側焦点位置と共役な位置８ｃに合致させてある。よって、光分割偏向ミラー７を介して、像リレーレンズ４からはアフォーカルな光束が対物レンズ３に向けて射出される。
なお、光分割偏向ミラー７の厚さは収差の発生を抑えるために落射投光ユニットが図１の像リレーレンズ４と対物レンズ３の間にある場合や、図７の像リレーレンズ４と被検部材１との間にある場合は０．３ｍｍ以下にすることが好ましい。

次に球面角と視野角及び照明ＮＡについて図４で説明する。対物レンズ群の個々のレンズがもつ円形光源像３ａを作る開口数（ＮＡ）は本装置における被検面１ｂ全域を照明する開口角と等しく、検査可能な被検面１ｂの外径と被検面１ｂの曲率中心を頂点とした円錐角の１／２であるが、本願では視野角と称する。対物レンズ３のＮＡが大きいほど大きい視野角の観察ができるのでＮＡの大きい対物レンズが本装置には好適である。また、被検面１ｂの外径と曲率中心が作る円錐角の１／２を球面角と称する。また、円形光源像３ａから被検面１ｂの１点を照明する円錐角の１／２を照明ＮＡと称する。この照明ＮＡは、円形光源像の直径をφｄ、被検面１ｂ曲率半径をｒとすれば、
照明ＮＡ＝ｄ／（２ｒ）
で計算される。照明ＮＡの適正な値は実験的ではあるが、０．００５〜０．０５が好適である。
なお、対物レンズが作る円形光源像の径φｄは、
φｄ＝円形光源の径×（対物レンズの焦点距離／コリメートレンズの焦点距離）
で計算される。
照明ＮＡの変更は図２に示す円形光源１１の開口径９ｂの異なる開口板９ａを交換して用いればよい。光源は可視光を発するＬＥＤが好適である。

次に、本願の第１実施例の光学系と特許文献３の実施例２の光学系との違いについて述べる。図１１は本願の第１実施例の光学系の模式図を示す。特許文献３の実施例２を示す図１０と比較すると、本願の第１実施例の図１１の構成では、対物レンズＬ１と結像レンズＬ２間に凸レンズである像リレーレンズＬ４を加え、像リレーレンズＬ４と結像レンズＬ２をテレセントリックな関係とし、対物レンズＬ１が作るテレセントリックな一次像を像リレーレンズＬ４がリレーし、結像レンズＬ２がテレセントリックな二次像を作るのに対して、図１０の構成ではテレセントリックな像を作れない。
図１１ではピント合わせが厳密でなくても像の大きさの変わらず像が流れないコントラストの高い像を得ることができ、また、被検面１ｂの曲率半径に応じて最適な焦点距離を持つ対物レンズ群９０ｅを用意し、個々の対物レンズに光学的な負担をかけない配慮を行っている。

以上、第１の実施形態の構成と検査原理について述べてきたが、本発明においては、被検面１ｂと対物レンズ３と像リレーレンズ４のどれかを基準にそれ以外の２つのユニットが独立して検査光軸に沿って移動すれば充分である。例えば、被検面１ｂを基準に対物レンズ３と像観察ユニット９０ｃとが相互に移動できればよく３種類の構成が可能であり、これらも本発明に含まれる。

また、本実施形態で、曲率半径が小さく大きい球面角を持つ球面の検査に適すると述べているのは、曲率半径が大きくなると装置全体が大きくなりすぎることと適当な対物レンズが入手できないことが理由であり、大きい曲率半径の被検面１ｂであっても大きい曲率半径に対応する光学系を用いれば同等の効果は得られるので本発明は曲率半径に制限はない。

第２の実施例について説明する。図６は本発明の第２の実施形態に係る落射透過照明検査装置９１であり、第１の実施例と同じく曲率半径が小さく球面角が大きい被検面１ｂの落射照明検査と可視光透過検査部材の透過照明検査を切り替えて行える検査装置である。
第１の実施形態からの変更は、対物レンズ支持台９０ｂに代わる一軸ステージ４１の取付と、第１の落射投光ユニットＡ９０ｄまたは第１の落射投光ユニットＢ９０ｆから第２の落射投光ユニット９１ｄへの交換と、新たに被検面１ｂの芯出装置９１ｂと透過投光ユニット９１ｆを取付けたものである。
また、対物板４３は一軸ステージ４１にスペーサ４７を介して固定され、第２の落射投光ユニット９１ｄを、検査光軸２０に光分割偏向ミラー７の光軸が略合致する位置と、透過照明観察時に偏向ミラー筐体４２が透過検査時に透過検査光束を遮らない位置とに移動、位置決め可能となっている。

第２の落射投光ユニット９１ｄは、投光軸２１中に配置された円形光源装置１１と、円形光源装置１１の円形光源９に焦点位置を置いたコリメートレンズ８ａ（９１ａａ）と、光分割偏向ミラー７を格納する偏向ミラー筐体４２と、対物レンズ３と、対物レンズ３を取付ける対物板４３とで構成される。偏向ミラー筐体４２は光分割偏向ミラー７の光軸を対物板４３の対物レンズ取付け部、例えばネジや嵌合部等の軸と合致させられて対物板４３に載置固定されている。
円形光源９からの光はコリメートレンズ８ａでアフォーカルな光束となり、光分割偏向ミラー７を介して対物レンズ３に入射し、対物レンズ３の焦点３ｂに円形光源像３ａを作りながら被検面１ｂを照明する。被検面１ｂからの反射光は入射時と同じ光路をたどり対物レンズ３を通過した後に被検面１ｂの略１倍の一次像３ｃを作る。この一次像に像観察ユニット９０ｃの像リレーレンズ４のピントを合わせると図示しないモニターに被検面１ｂの二次像が表示される。

次に、図６に示す第２の実施形態に係る落射透過照明球面検査装置９１で透過照明検査を行う場合を説明するが、それに先だって透過照明の概要について説明する。
透過照明検査に使用する透過投光ユニット９１ｆは本願第１の実施形態における落射検査装置９１ｄと基本的な構成は同じものであり、透過コリメートレンズ８ｄの焦点位置に小さな円形光源９を持つ円形光源装置１１が取り付けられ、円形光源９からの光はアフォーカルな光束となり、偏向ミラー４９で検査光軸２０に一致させて折り曲げられる。その後、アフォーカルな光束は、焦点距離または開口数の異なる落射対物レンズ群９０ｅと互換な図７に示す透過投光レンズ群９２ｅから選択された透過投光レンズ４４の焦点位置に円形光源像８ｇを作る。この円形光源像８ｇを一軸ステージ５３を持つ落射被検部材載置移動台９１ｃで、例えば光学レンズである透過被検部材１２の焦点９２ｇに合わせる。透過被検部材１２から射出されるテレセントリックな光束は透過被検部材の被検面１ｂに像観察ユニット９０ｃのピントを合わせることにより撮像素子上に透過被検部材１２の表または裏の被検面像を形成する。

第２の実施形態に係る落射透過照明球面検査装置９１で透過照明検査を行う場合、一軸ステージ４１に固定された第２の落射投光ユニット９１ｄを一軸ステージ４１の回転ノブ４６で光分割偏向ミラーの光軸を検査光軸２０と略一致した位置から透過検査部材１２から射出される透過検査光束を遮らない位置にを退避移動させる。その後、像観察ユニット９０ｃを透過被検部材１２に近づけて透過被検部材１２の被検面１ｂにピントを合わせ、被検光学レンズの焦点９２ｇに透過投光レンズが作る円形光源像８ｇを一軸ステージ５３の回転ノブ５４を用いて合致させる。これだけで特許文献１の透過照明検査装置と同様の透過照明検査が可能となる。図６の検査光軸左側の一部が透過照明検査の模式図である。

図７は本発明の第３の実施形態に係る落射透過照明球面検査装置９２であり、第１と２の実施例に比較して曲率半径が大きく球面角が小さい被検面１ｂの落射照明検査と透過照明検査を切り替えて行える検査装置である。第２の実施形態からの変更は、対物レンズ３とスペーサ４７の取り外しと、第２の落射投光ユニット９１ｄから第３の落射投光ユニット９２ｂへの交換である。
なお、図７では一部に透過照明による実施例を含んでいる。光軸の右側は落射照明時、左は透過照明時の透過照明光学構成図である。

第３の落射投光ユニット９２ｂを用いた光源像を検査軸上で移動させる方法と透過照明検査への切換えについて説明する。
円形光源の移動は、円形光源装置１１と第４の投光レンズユニット９２ａのコリメートレンズ８ａと交換投光レンズ８ｅは共に移動ガイド５０の内径に沿って移動できる外径部とお互いの枠を連結できるネジ部を持つ枠に収納され、ネジで一体化された組となっている。円形光源と第４の投光レンズユニットの組を移動ガイド５０の移動案内部であるに内径に挿入し光分割偏向ミラーに対し移動させることによって、交換投光レンズ８ｅが作る円形光源像３ａを光分割偏向ミラーを介して検査光軸２０上に投影し、移動させる。円形光源の位置が決まった場合は固定ネジａ５６ａで円形光源と第４の投光レンズユニットの組を固定する。
透過照明検査への切換えは、対物板４３は一軸ステージ４１に固定されているので、第３の落射投光ユニット９２ｂを光分割偏向ミラー７の光軸が検査光軸２０と略合致する位置と透過照明観察時に光分割偏向ミラー筐体が透過検査光束を遮らない位置とに回転ノブ４６によって位置決め移動すればよい。

本第３の実施形態での透過落射照明球面検査装置での落射照明検査について説明をする。被検部材１は図６に示す落射被検部材載置台３９に載置される。芯出装置９１ｂで被検面１ｂと検査光軸２０を略一致させ、検査光軸２０に沿って移動する像観察ユニット９０ｃの像リレーレンズ４のピント位置に被検部材１を移動すると、被検部材１の外径端面などが観察される。次に、被検面１ｂ上に紙片などを置き、円形光源と第４の投光レンズユニット９２ａの組を光分割偏向ミラー７に対して移動ガイド５０の案内部に沿って前後に移動し紙片に円形光源像３ａを作る。被検面１ｂが凹面であれば、円形光源像３ａを像リレーレンズ４側に被検面の曲率半径の１／２の位置即ち被検面１ｂの焦点位置に合致させるために第４の投光レンズユニット９２ａを移動する。この時、円形光源像３ａと被検面１ｂの焦点が一致してモニターに被検面１ｂの像が現れる。被検面１ｂが凸面であれば、凹面と逆方向に円形光源像を移動させればよい。

本第３の実施形態での光学系について説明する。
像リレーレンズ４のピント位置に置いた被検面１ｂの焦点に光源像を投影すると被検面の１点を照明する光は検査光軸２０に平行に反射して像観察ユニット９０ｃに入り撮像素子６に像を作る。特許文献３の実施例１の構成は図９に破線で示すように対物レンズの焦点に被検球面を置き、円形光源像３ａを被検球面の曲率中心ｃ２に投影するものであるが、本発明は図９の実線で示すように光源像を被検面１ｂの焦点位置ｃ１に投影するので反射光がテレセントリックな光束となることから、本発明の像リレーレンズ４と結像レンズ５を含む両側にテレセントリックな光学系はこの検査法に適している。
また、この光学系は特許文献１に記載の球面の透過照明観察法である被検レンズの焦点位置に円形面光源像を置いて被検レンズ表面を照明し、被検レンズ表面から射出されるテレセントリックな光線束を取り込み両側にテレセントリックなレンズで被検レンズ表面の像を結像させる構成と同じある。よって、特許文献１に記載の球面の透過観察法は本願第３実施例の透過照明検査装置としてそのまま用いることができる。

この場合の被検面の曲率半径と視野径について少し説明する。凸被検面１ｂの視野径は、円形光源を曲率中心に投影する特許文献３の実施例１の構成（図９参照）すなわち円形光源像を被検球面の曲率中心に投影する場合と比べると小さいのであるが、大きな曲率半径の被検面１ｂの場合には大きな視野径の差は生じない。何故なら、大きな曲率半径を持つ被検面１ｂの検査では、交換投光レンズ８ｅと被検面間距離は、投影される光源像と被検面間距離と比べて十分短いため、交換投光レンズ８ｅから円形光源像３ａを作る光束は曲率中心に投影するときと焦点に投影するときの光束とではでは被検面の位置において光束の径が大きく変わらないからである。

しかし、３０〜１００ｍｍの曲率半径を持つ凸被検面の観察では以下の問題がある。凸被検面１ｂの場合、円形光源像３ａの投影位置は像リレーレンズ４のピント（焦点）位置にある被検面１ｂより遠方にとなるので、円形光源像３ａを被検面１ｂの焦点位置に合わせるために第４の投光レンズユニット９２ａを検査光軸２０に近づけると、光分割偏向ミラー７との干渉が生じ円形光源像を被検面の曲率中心に投影できなくなることが生じる。交換投光レンズ８ｅに焦点距離の長いレンズを用いれば円形光源像を被検レンズの曲率中心に投影できるが、視野角が小さくなり、結果として視野が小さくなる不具合が発生する。
この問題に対して、特許文献３の実施例１は対物レンズと結像レンズをテレセントリックな構成にして被検球面を対物レンズの焦点位置に置き、被検球面の曲率中心に円形光源を投影するものなので、特許文献３の実施例１を利用して円形光源像を被検球面の焦点ｃ１ではなく曲率中心ｃ２に形成すると、像観察ユニット９０ｃの作る像にテレセントリック性はなくなるが、像の観察は可能となる。
なお、第３の落射投光ユニット９２ｂは、図７に示すように光源枠５９の内径を案内に調整枠６０をわずかにずらし、円形光源装置１１をコリメートレンズ８ｂに対してわずかに移動できるようにしてもよい。この場合は、交換投光レンズ８ｅが作る円形光源像３ａの位置を交換投光レンズ８ｅの焦点位置からわずかにずらすことができる。この操作によって、交換レンズ群の個々のレンズの焦点距離が間欠的に選択されていることに対して、焦点距離があたかも連続的に準備されているようになる。ただし、円形光源像３ａは若干ぼけた像になり視野角も変化するが、実質的には問題ではない。

次に、第３の実施形態に係る落射透過照明球面検査装置９２で透過照明検査に切り替える場合の説明を図７を用いて行う。第３の落射投光ユニット９２ｂを一軸ステージ４１の回転ノブ４６で光分割偏向ミラー７の光軸を検査光軸２０と略一致した位置から透過検査部材１２から射出される透過検査光束を遮らない位置に第３の落射投光ユニット９２ｂを退避移動させる。これだけで特許文献１の透過照明検査装置と同様の原理、すなわち、被検部材の焦点に円形光源像を合致させる透過照明検査が可能となる。図７の検査光軸２０左側の一部が透過照明検査の模式図である。

落射透過照明球面検査装置９１と落射透過照明球面検査装置９２の特徴と共通仕様部について説明する。
図６は本発明の第２の実施形態に係り、本発明の第１の実施形態と同じく小曲率半径大球面角を持つ被検面１ｂの落射透過照明球面検査装置９１であって、落射投光装置に第２の落射投光ユニット９１ｄを用いており、図７は本発明の第３の実施形態に係り、本発明の第３の落射投光ユニット９２ｂを用いた大曲率半径小球面角を持つ被検面１ｂの落射透過照明球面検査装置９２であって、共に図６記載の透過投光ユニット９１ｆと芯出装置９１ｂを加えて備えさせたものである。

落射照明検査の構成について説明する。第２の落射投光ユニット９１ｄは対物レンズ３を用いるが、第３の落射投光ユニット９２ｂは対物レンズを使用しない。２つの落射投光ユニットは同形状の対物板４３に固定され交換取付可能となっている。双方の落射投光ユニットの切り替えは、双方の装置での検査時に被検部材１の載置位置がほぼ同じことから、対物レンズ３を使用する第２の落射投光ユニットはスペーサ４７を使用し、対物レンズを使用しない第３の落射投光ユニット９２ｂを使用する時はスペーサ４７を取り除く。また、双方の落射投光ユニットの対物板４３は一軸ステージ４１に互換着脱ができる。

落射投光ユニットの検査光軸への挿脱について説明する。落射照明観察時は双方の落射投光ユニットの光分割偏向ミラー７が検査光軸２０と一致する位置に移動する。透過観察時には対物レンズと落射投光ユニットが不要となるために、双方の落射投光ユニットは透過検査光束を遮らないかつ被検部材１にピントを合わせるために検査部材に近づく像観察ユニット９０ｃに干渉しない位置に光軸から離脱させられる。

透過落射照明球面検査装置９２で落射照明検査から透過照明検査に切換えるときは、落射被検部材載置台３９代わって透過照明装置の透過投光レンズ４４を載置する透過投光レンズケース４５が取り付けられる。透過投光レンズケース４５は透過観察時に透過投光レンズ４４として使用される落射対物レンズ群９０ｅも簡単に着脱交換できるように設計されている。また、透過照明検査時の被検部材の載置位置も落射照明検査時とほぼ同じことから透過観察時の被検部材１２の芯出しも落射観察時の被検部材１と同様、羽絞り３１ａの開口の内縁部で粗い芯出しが行われる。

芯出装置９１ｂは、検査光軸２０に同心の絞り開閉レバー３１ｃと固定ネジ３１ｂを持つ羽絞り３１ａ、被検部材１を回転させて観察するための回転枠３３、回転枠３３とネジで係合され、被検部材１の外径端面を羽絞りの位置に合致調整する。被検部材の高さを調整する高さ調整枠３５、高さ調整枠３５に落とし込まれ、被検部材を保持する内径が被検部材の外径よりわずかに小さい内径を持つ透過被検部材載置台３８、偏心微調整用の偏心移動枠３２、偏心移動枠３２を微移動させて被検部材の光軸を検査光軸に微調整するボールプランジャー３４、調整ツマミ３６持つ偏心枠３７を有する。被検部材は、羽絞り３１ａの開口内縁部で被検部材の芯の粗偏心調整がなされた後、調整ツマミ３６で微調整される。なお、回転機能は、画像に現れる欠陥と欠陥に似た光学系のゴーストを判別するためである。

本発明の装置は、広範囲の曲率半径や球面角、口径の球面または非球面レンズ、モールドレンズ用の金型、鋼球など表面に球面をもつ部材の表面のキズ、汚れ、うねりなどの球面検査において、被検部材の透過照明検査および落射照明検査に好適である。

１被検部材
１ａ被検面曲率中心
１ｂ被検面
１ｃ被検面中心
３対物レンズ
３ａ円形光源像
３ｂ対物レンズ物体側焦点
３ｃ一次像または一次像面
３ｄ対物レンズ取付板
３ｅステー部材
３ｆアダプター枠
３ｇ対物レンズ枠
３ｈ対物レンズ物体側主点
３ｉ対物レンズ像側主点
３ｊ対物レンズ像側焦点
４像リレーレンズ
５結像レンズ
６撮像素子
６ａ二次像
７光分割偏向ミラー
８ａコリメートレンズ
８ａｆコリメートレンズの焦点平面
８ｂ投光レンズ
８ｃ像リレーレンズの焦点
８ｄ透過コリメートレンズ
８ｅ交換投光レンズ
８ｆ交換投光レンズの焦点
８ｇ透過照明円形光源像
９円形光源
９ａ開口板
９ｂ開口
９ｃ散乱板
１０トメ枠
１１円形光源装置
１１ａＬＥＤ光源
１１ｂＬＥＤ発光面
１２透過被検部材
２０検査光軸
２１投光軸
３０ズームレンズ
３１ａ羽絞り
３１ｂ固定ネジ
３１ｃ開閉レバー
３２偏心移動枠
３３回転枠
３４プランジャー
３５高さ調整枠
３６調心ツマミ
３７偏心枠
３８透過被検部材載置台
３９落射被検部材載置台
４０ステージ板
４１一軸ステージ
４２偏向ミラー筐体
４３対物板
４４透過投光レンズ
４５透過投光レンズケース
４６回転ノブ
４７スペーサ
４８ベース板
４９偏向ミラー
５０移動ガイド
５１防塵ガラス
５２偏向ミラー台
５３一軸ステージ
５４回転ノブ
５５像観察ユニット支柱
５６ａ固定ネジａ
５６ｂ固定ネジｂ
５７ａ枠ａ
５８ｂ枠ｂ
５９光源枠
６０調整枠
９０落射照明球面検査装置
９０ａ被検部材載置移動台
９０ｂ対物レンズ支持台
９０ｃ像観察ユニット
９０ｄ第１の落射投光ユニットＡ
９０ｅ対物レンズ群
９０ｆ第１の落射投光ユニットＢ
９１落射透過照明球面検査装置
９１ａａ第２の投光レンズユニット
９１ａｂ第３の投光レンズユニット
９１ｂ芯出装置
９１ｃ透過投光レンズ落射被検部材載置移動台
９１ｄ第２の落射投光ユニット
９１ｅ透過投光レンズユニット
９１ｆ透過投光ユニット
９２落射透過照明球面検査装置
９２ａ第４の投光レンズユニット
９２ｂ第３の落射投光ユニット
９２ｅ透過投光レンズ群
９２ｇ透過被検部材の焦点
ａ円形光源
ｂ光分割偏向ミラー
ｃ円形光源像
ｄ被検面
ｄ１被検面
ｄ２被検面
ｅ被検面上の点
ｅ′ ｅの一次像
ｅ″ ｅの二次像
ｅ１被検面上の点
ｅ１′ ｅ１の一次像
ｅ１１′ｅ１の仮想レンズ位置での一次像
ｅ２被検面上の点
ｅ２′ ｅ２の一次像
ｅ２″ ｅ２の二次像
ｌ同焦距離
ｆ対物レンズ焦点距離
ｆ１対物レンズ焦点距離
ｆ２結像レンズ焦点距離
ｈ瞳
ｉ被検面曲率中心
ｋテレセントリック構成
ｍ焦点間隔
Ｌ１対物レンズ
Ｌ２結像レンズ
Ｌ２′ 仮想レンズ位置
Ｌ３投光レンズ
Ｌ４像リレーレンズ
Ｒ０被検面曲率半径
Ｒ１被検面曲率半径
ＷＤワーキングディスタンス

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の落射照明球面検査装置において、第２の落射投光ユニットは前記第１の落射投光ユニットおよび第１の対物レンズと交換取付け可能であって、
前記円形光源と前記第２の投光レンズユニットと前記光分割偏向ミラーと第２の対物レンズとを含み、
前記第２の落射投光ユニットが前記像リレーレンズと被検部材との間に設けられる場合に、
前記第２の落射投光ユニットは、前記円形光源と前記第２の投光レンズユニットと前記光分割偏向ミラーとが同軸に対物板に取付けられ、かつ前記第２の対物レンズは前記検査光軸と同軸に取付けられていることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項７に記載の落射照明球面検査装置において、
第３の落射投光ユニットは第１の落射投光ユニットと交換取付け可能であって、
前記第３の落射投光ユニットが前記像リレーレンズと被検部材との間に設けられる場合に、
前記第３の落射投光ユニットは、
前記投光軸上に配置された前記円形光源と、
前記円形光源に焦点を略合致させたコリメートレンズと前記コリメートレンズが作るアフォーカルな光束中に配置され、着脱互換可能な開口数または焦点距離の異なる交換投光レンズ群から選択された交換投光レンズとを有する第４の投光レンズユニットと、
案内部をもった移動ガイドと、
光分割偏向ミラーと、を有し、
前記第３の落射投光ユニットは、前記円形光源と前記第４の投光レンズユニットとが一体となった組と前記光分割偏向ミラーとが前記投光軸と同軸に対物板に取付けられ、
前記第３の落射投光ユニットは、前記一体となった組が前記光分割偏向ミラーに対して前記投光軸上を前記移動ガイドの前記案内部に沿って移動し前記交換投光レンズが作る前記円形光源像を前記光分割偏向ミラーを介して前記検査光軸に送り、前記円形光源像を前記検査光軸上で移動させることを特徴とする。

次に球面角と視野角及び照明ＮＡについて図４で説明する。対物レンズ群の個々のレンズがもつ円形光源像３ａを作る開口数（ＮＡ）は本装置における被検面１ｂ全域を照明する開口角と等しく、検査可能な被検面１ｂの外径と被検面１ｂの曲率中心を頂点とした円錐角の１／２であるが、本願では視野角と称する。対物レンズ３のＮＡが大きいほど大きい視野角の観察ができるのでＮＡの大きい対物レンズが本装置には好適である。また、被検面１ｂの外径と曲率中心が作る円錐角の１／２を球面角と称する。また、円形光源像３ａから被検面１ｂの１点を照明する円錐角の１／２を照明ＮＡと称する。この照明ＮＡは、円形光源像の直径をφｄ、被検面１ｂ曲率半径をｒとすれば、
照明ＮＡ＝ｄ／（２ｒ）
で計算される。照明ＮＡの適正な値は実験的ではあるが、０．００５〜０．０５が好適である。
なお、対物レンズが作る円形光源像の径φｄは、
φｄ＝円形光源の径×（対物レンズの焦点距離／コリメートレンズの焦点距離）
で計算される。
照明ＮＡの変更は図２に示す円形光源装置１１の散乱板９ｃに接して置かれる開口径９ｂの異なる開口板９ａを交換して用いればよい。光源は可視光を発するＬＥＤが好適である。

第２の実施例について説明する。図６は本発明の第２の実施形態に係る落射透過照明検査装置９１であり、第１の実施例と同じく曲率半径が小さく球面角が大きい被検面１ｂの落射照明検査と可視光透過検査部材の透過照明検査を切り替えて行える検査装置である。
第１の実施形態からの変更は、対物レンズ支持台９０ｂに代わる一軸ステージ４１の取付と、第１の落射投光ユニットＡ９０ｄまたは第１の落射投光ユニットＢ９０ｆから第２の落射投光ユニット９１ｄへの交換と、新たに被検面１ｂの芯出装置９１ｂと透過投光ユニット９１ｆを取付けたものである。図６に示すように、第１の実施形態における第１の対物レンズ３は、対物レンズ枠３ｇに取り付けられず、第２の落射投光ユニット９１ｄの内に第２の対物レンズ３として含まれている。
また、対物板４３は一軸ステージ４１にスペーサ４７を介して固定され、第２の落射投光ユニット９１ｄを、検査光軸２０に光分割偏向ミラー７の光軸が略合致する位置と、透過照明観察時に偏向ミラー筐体４２が透過検査時に透過検査光束を遮らない位置とに移動、位置決め可能となっている。

Claims

表面の少なくとも一部に球面または非球面を含む被検面を有する被検部材の落射照明球面検査装置であって、
前記被検面の一次像を略１倍のテレセントリックな実像または虚像として作る焦点距離または開口数の異なる対物レンズ群と、
前記対物レンズ群から選択された第１の対物レンズが他の対物レンズと同軸に着脱互換可能で取り付けられる対物レンズ支持台と、
前記被検部材を載置し、前記被検部材を前記対物レンズの光軸、即ち検査光軸に沿って移動させる被検部材載置移動台と、
前記第１の対物レンズが作る一次像をリレーして二次像を作り、物体側、即ち一次像側にも二次結像側にも略テレセントリックな関係にある像リレーレンズと結像レンズとを有する組と、前記結像レンズの二次結像位置に取り付けた撮像素子と、前記撮像素子からの信号を画像として表示するモニターとを含む、前記検査光軸に沿って移動する像観察ユニットと、
前記第１の対物レンズと前記像リレーレンズとの間、または前記像リレーレンズと前記結像レンズとの間に光分割偏向ミラーを配置することによってできる前記検査光軸と直交する光軸、即ち投光軸上に配置した円形光源と第１の投光レンズユニットと前記光分割偏向ミラーとを有し、前記第１の投光レンズユニットが作る光束を前記光分割偏向ミラーを介して前記第１の対物レンズに送り前記第１の対物レンズの焦点位置に円形光源像を結像させる第１の落射投光ユニットとを有し、前記円形光源の大きさ、又は前記被検部材を照明する開口数即ち照明ＮＡは可変であることを特徴とする落射照明球面検査装置。
前記第１の落射投光ユニットが前記像リレーレンズと前記対物レンズ間にある場合、前記第１の落射投光ユニットの前記第１の投光レンズユニットは、前記円形光源に焦点を合わせたコリメートレンズを含む第２の投光レンズユニットとを有し、前記第２の投光レンズユニットが作るアフォーカルな光束を光分割偏向ミラーを介して前記第１の対物レンズに送ることを特徴とする請求項１に記載の落射照明球面検査装置。
前記第１の落射投光ユニットが前記像リレーレンズと前記結像レンズ間にある場合、前記第１の落射投光ユニットの前記第１の投光レンズユニットは、前記円形光源に焦点を置いた前記コリメートレンズと、円形光源像を作る投光レンズを有する第３の投光レンズユニットであり、前記第３の投光レンズユニットが作る前記円形光源像を前記像リレーレンズの焦点と共役な位置に投影し、前記光分割偏向ミラーと前記像リレーレンズを介してアフォーカルな光束を前記第１の対物レンズに送ることを特徴とする請求項１に記載の落射照明球面検査装置。
前記円形光源の大きさは、前記第１の対物レンズが作る前記円形光源像から前記被検面を照明する照明ＮＡが０．００５〜０．０５の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の落射照明球面検査装置。
前記対物レンズ群に含まれるそれぞれの前記対物レンズが作る前記円形光源の結像位置、即ち前記対物レンズの焦点位置が略同一位置であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の落射照明球面検査装置。
前記対物レンズ群に含まれるそれぞれの前記対物レンズが作る前記被検面の一次像位置が略同一位置であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の落射照明球面検査装置。
前記対物レンズ支持台を前記検査光軸に合致させて着脱できることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の落射照明球面検査装置。
第２の落射投光ユニットは前記第１の落射投光ユニットと交換取付け可能であって、
前記円形光源と前記第２の投光レンズユニットと前記光分割偏向ミラーと第２の対物レンズとを含み、
前記第２の落射投光ユニットが前記像リレーレンズと被検部材との間に設けられる場合に、
前記第２の落射投光ユニットは、前記円形光源と前記第２の投光レンズユニットと前記光分割偏向ミラーとが同軸に対物板に取付けられ、かつ前記第２の対物レンズは前記検査光軸と同軸に取付けられていることを特徴とする請求項７に記載の落射照明球面検査装置。
前記第２の落射投光ユニットは前記投光軸に沿って移動可能な一軸ステージに取付けられ前記検査光軸と略合致して挿脱可能なことを特徴とする請求項８に記載の落射照明球面検査装置。
前記第３の落射投光ユニットは第１の落射投光ユニットと交換取付け可能であって、
前記第３の落射投光ユニットが前記像リレーレンズと被検部材との間に設けられる場合に、
前記第３の落射投光ユニットは、前記投光軸上に配置された前記円形光源と、
前記円形光源に焦点を略合致させたコリメートレンズとコリメートレンズが作るアフォーカルな光束中に配置され、着脱互換可能な開口数または焦点距離の異なる交換投光レンズ群から選択された交換投光レンズとを有する第４の投光レンズユニットとが一体の組となっており、
前記第３の落射投光ユニットは、前記円形光源と前記第４の投光レンズユニットの組が投光軸上を移動できる案内部をもった移動ガイドと前記光分割偏向ミラーとが同軸に対物板に取付けられ、
前記第３の落射投光ユニットは、前記円形光源と第４の投光レンズユニットの組が前記光分割偏向ミラーに対して投光軸上を前記移動ガイドの案内部に沿って移動し前記交換投光レンズが作る前記円形光源像を前記光分割偏向ミラーを介して前記検査光軸に送り、前記円形光源像を前記検査光軸上で移動させることを特徴とする請求項７に記載の落射照明球面検査装置。
前記第３の落射投光ユニットは前記投光軸に沿って移動可能な一軸ステージに取付けられ、前記検査光軸と略合致して挿脱可能なことを特徴とする請求項１０に記載の落射照明球面検査装置。
前記像観察ユニットは前記像リレーレンズと前記結像レンズ間にズーム光学系を含み、前記像リレーレンズは焦点距離または開口数の異なる像リレーレンズが、または、前記結像レンズは焦点距離または開口数の異なる結像レンズが着脱可能であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の落射照明球面検査装置。
前記被検部材を挟んで前記第１から第３の落射投光ユニットのいずれか一つの反対側に透過投光レンズを含む透過投光ユニットを前記第１から第３の落射投光ユニットのいずれか一つを配置し、前記被検面の透過照明球面検査と落射照明球面検査とが選択的に可能な透過落射照明球面検査装置であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか一つに記載の落射照明球面検査装置を含む透過落射照明球面検査装置。