KR101423339B1 - 피측정물로부터의 반사광을 이용하는 광학 특성 측정 장치및 그것에 있어서의 포커스 조정 방법 - Google Patents

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Abstract

관찰용 광원이 발생하는 관찰광의 빔 단면의 광 강도(광량)는 대략 균일하다. 마스크부(26a)가 이 관찰광의 일부를 마스크함으로써, 그 빔 단면에 있어서 레티클 이미지에 상당하는 영역의 광 강도가 대략 제로로 된다. 이 레티클 이미지에 상당하는 그림자 영역이 형성된 관찰광은, 빔 스플리터(20)에서 반사되어 피측정물(OBJ)로 조사된다. 이 피측정물(OBJ)에 투사된 레티클 이미지에 대응하는 반사 이미지의 농담차(콘트라스트)를 기초로 하여, 피측정물(OBJ)에 대한 측정광의 포커스 상태를 판단한다.
Figure R1020080044792
마스크부, 빔 스플리터, 피측정물, 광학 특성 장치, 제어 장치

Description

피측정물로부터의 반사광을 이용하는 광학 특성 측정 장치 및 그것에 있어서의 포커스 조정 방법 {OPTICAL CHARACTERISTIC MESURING APPARATUS USING LIGHT REFLECTED FROM OBJECT TO BE MEASURED AND FOCUS ADJUSTING METHOD THEREFOR}
본 발명은 광학 특성 측정 장치 및 그것에 있어서의 포커스 조정 방법에 관한 것으로, 보다 특정적으로는 그 반사 이미지에 있어서의 농담차가 상대적으로 작은 피측정물에 대한 광학 특성 측정시에 포커스 맞춤을 용이하게 행하는 기술에 관한 것이다.
기판 상 등에 형성된 박막에 대해 광을 조사하고 그 반사광을 분광 계측함으로써, 당해 박막의 반사율, 굴절률, 감쇠 계수 및 막 두께 등의 광학 특성(광학 정수)을 측정하기 위한 대표적인 광학 특성 측정 장치로서 현미 분광 장치가 알려져 있다.
일반적인 현미 분광 장치는, 예를 들어 일본 특허 공개 평11-230829호 공보의 도1에 개시되는 바와 같은 구성으로 되어 있다. 이 현미 분광 장치는, 광원으로부터 출사된 조명광을 하프 미러를 통해 테이블 상에 적재된 측정 시료로 유도하는 조명 광학계와, 측정 시료에 있어서 반사된 광을 회절 격자 및 모니터용 광학계 로 유도하는 결상 광학계를 구비한다. 그리고, 회절 격자는 측정 시료 상의 측정 영역으로부터의 관찰광을 분광하는 분광 수단으로서 기능하고, 분광 스펙트럼을 라인 센서 상에 결상한다. 그리고, 라인 센서에서 측정되는 분광 스펙트럼에 의해 광학 특성이 산출된다. 한편, 모니터용 광학계는 측정 시료의 확대 이미지를 릴레이 렌즈에 의해 2차원의 CCD 카메라 상에 결상한다. 그리고, CCD 카메라에 의해 촬상된 측정 시료의 확대 이미지는 측정 위치의 확인이나 포커스 맞춤에 사용된다.
또한, 일본 특허 공개 제2006-301270호 공보나 일본 특허 공개 제2000-137158호 공보에는, 모니터용 광학계에 의해 취득된 확대 이미지를 기초로 하여 오토 포커스를 행하는 기술이 개시되어 있다.
상술한 일본 특허 공개 제2006-301270호 공보에는, 영상 신호의 휘도 레벨의 주파수 스펙트럼을 기초로 하여 포커스값을 산출하는 구성이 개시되어 있고, 일본 특허 공개 제2000-137158호 공보에는, 포커스 영역 내의 엣지 강도값을 기초로 하여 포커스값(포커스도)을 산출하는 구성이 개시되어 있다.
이들 구성은, 피측정물을 촬영하여 얻어지는 이미지(혹은, 그 영상 신호)에 농담차(콘트라스트)가 존재하는 경우에 적용할 수 있는 것이며, 피측정물 자체의 농담차가 적은 경우에는 적용하는 것이 곤란해진다. 예를 들어, 유리 기판이나 렌즈 등의 투명한 물질을 피측정물로 하는 경우에는, 반사율이 낮으므로 반사광이 약해지고, 그 반사 이미지가 전체적으로 어두워져 농담차는 작아진다. 한편, 그 표면에 어떠한 형상(패턴)도 형성되어 있지 않은 경면 형상의 시료를 피측정물로 하는 경우에는, 반사율이 높으므로 입사광의 거의 전부 반사되어 버리고, 이때에도 반사 이미지의 농담차는 작아진다. 그로 인해, 종래의 방법에서는, 포커싱 상태와 비포커싱 상태 사이의 포커스값의 변화가 작아, 충분한 포커스 정밀도를 얻을 수 없었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은 반사 이미지에 있어서의 농담차가 상대적으로 작은 피측정물에 대한 포커스 맞춤을 더욱 용이하게 행할 수 있는 광학 특성 측정 장치 및 포커스 조정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 임의의 국면에 따르는 광학 특성 측정 장치는 측정용 광원과, 관찰용 광원과, 집광 광학계와, 조정 기구와, 광 주입부와, 마스크부와, 광 분리부와, 포커스 상태 판단부와, 위치 제어부를 포함한다. 측정용 광원은 피측정물에 대한 측정 범위의 파장을 포함하는 측정광을 발생한다. 관찰용 광원은 피측정물에서 반사 가능한 파장을 포함하는 관찰광을 발생한다. 집광 광학계는 측정광 및 관찰광이 입사되고, 입사된 광을 집광한다. 조정 기구는 집광 광학계와 피측정물 사이의 위치 관계를 변경 가능하다. 광 주입부는 측정용 광원으로부터 집광 광학계까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서 관찰광을 주입한다. 마스크부는, 관찰용 광원으로부터 광 주입부까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서, 관찰 기준 이미지가 투사되도록 관찰광의 일부를 마스크한다. 광 분리부는 피측정물에서 발생하는 반사광 중에서 측정 반사광과 관찰 반사광을 분리한다. 포커스 상태 판단부는, 관찰 반사광에 포함되는 관찰 기준 이미지에 대응하는 반사 이미지를 기초로 하여, 피측정물에 있어서의 측정광의 포커스 상태를 판단한다. 위치 제어부는 포 커스 상태의 판단 결과에 따라서 조정 기구를 제어한다.
본 발명에 따르면, 그 일부가 마스크된 관찰광이 피측정물에 조사됨으로써, 피측정물에는 관찰 기준 이미지가 투사된다. 이 관찰광은 피측정물에서 반사하여 관찰 반사광을 발생하고, 이 관찰 반사광에는 관찰 기준 이미지에 대응하는 반사 이미지가 포함된다. 이 관찰 기준 이미지에 대응하는 반사 이미지에는 관찰 기준 이미지에 의해 농담차(콘트라스트차)가 발생하므로, 피측정물의 반사율에 관계없이, 피측정물에 있어서의 관찰광의 포커스 상태를 정확하게 판단할 수 있다.
한편, 측정광 및 관찰광은 공통의 집광 광학계를 통해 피측정물에 조사되므로, 피측정물에 있어서의 관찰광의 포커스 상태와 피측정물에 있어서의 측정광의 포커스 상태를 실질적으로 동일하게 간주할 수 있다.
따라서, 그 반사 이미지에 있어서의 농담차가 상대적으로 작은 피측정물이라도, 관찰 기준 이미지에 대응하는 반사 이미지를 포함하는 관찰 반사광을 기초로 하여 용이하게 포커스 맞춤을 행할 수 있다.
바람직하게는, 광학 특성 측정 장치는 관찰 반사광을 수광하여, 당해 관찰 반사광에 따른 영상 신호를 출력하는 촬상부를 더 포함하고, 포커스 상태 판단부는 촬상부로부터의 영상 신호를 기초로 하여 포커스 상태를 나타내는 값을 출력한다.
더욱 바람직하게는, 포커스 상태 판단부는 관찰 반사광에 따른 영상 신호 중 미리 설정된 영역에 상당하는 신호 성분을 기초로 하여 포커스 상태를 나타내는 값을 출력한다.
바람직하게는, 조정 기구는 측정광의 광축을 따라 피측정물을 이동 가능하게 구성되고, 위치 제어부는, 포커스 상태를 나타내는 값이 최대로 되도록, 광축을 따라 집광 광학계와 피측정물 사이의 거리를 조정한다.
바람직하게는, 조정 기구는 또한 광축과 직교하는 평면을 따라 피측정물을 이동 가능하게 구성되고, 위치 제어부는 평면 상의 복수의 좌표의 각각에 대해 포커스 상태를 나타내는 값이 최대로 되는 피측정물의 광축 방향의 위치를 각 좌표의 포커스 위치로서 취득하고, 취득한 복수의 포커스 위치를 기초로 하여 피측정물의 공간적인 변곡점을 탐색한다.
더욱 바람직하게는, 위치 제어부는 평면 상의 제1 방향을 따른 복수의 좌표에 대한 복수의 포커스 위치를 각각 취득하는 동시에, 평면 상의 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따른 복수의 좌표에 대한 복수의 포커스 위치를 각각 취득하고, 또한 제1 및 제2 방향 각각에 있어서 포커스 위치가 최대값 및 최소값 중 한쪽으로 되는 좌표를 기초로 하여 피측정물의 공간적인 변곡점을 결정한다.
더욱 바람직하게는, 위치 제어부는 공간적인 변곡점에 측정광 및 관찰광이 조사되도록 피측정물을 평면을 따라 이동시킨 후, 포커스 상태를 나타내는 값이 최대로 되도록, 광축을 따라 집광 광학계와 피측정물 사이의 거리를 더 조정한다.
바람직하게는, 촬상부는 행렬 형상으로 배치된 복수의 화소의 각각에 대응하는 관찰 반사광의 휘도 데이터를 영상 신호로서 출력하고, 포커스 상태 판단부는 각 화소에 대응하는 휘도 데이터의 히스토그램을 기초로 하여 포커스 상태를 나타내는 값을 출력한다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 광학 특성 측정 장치에 있어서의 포커스 조 정 방법을 제공한다. 광학 특성 측정 장치는 측정용 광원과, 관찰용 광원과, 집광 광학계와, 조정 기구와, 광 주입부와, 광 분리부를 포함한다. 측정용 광원은 피측정물에 대한 측정 범위의 파장을 포함하는 측정광을 발생한다. 관찰용 광원은 피측정물에서 반사 가능한 파장을 포함하는 관찰광을 발생한다. 집광 광학계는 측정광 및 관찰광이 입사되고, 입사된 광을 집광한다. 조정 기구는 집광 광학계와 피측정물 사이의 위치 관계를 변경 가능하다. 광 주입부는 측정용 광원으로부터 집광 광학계까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서 관찰광을 주입한다. 마스크부는 관찰용 광원으로부터 광 주입부까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서, 관찰 기준 이미지가 투사되도록 관찰광의 일부를 마스크한다. 광 분리부는 피측정물에서 발생하는 반사광 중에서 측정 반사광과 관찰 반사광을 분리한다. 포커스 조정 방법은 관찰용 광원으로부터 관찰광의 발생을 개시하는 단계와, 관찰 반사광에 포함되는 관찰 기준 이미지에 대응하는 반사 이미지를 기초로 하여, 피측정물에 있어서의 측정광의 포커스 상태를 판단하는 단계와, 포커스 상태의 판단 결과에 따라서 조정 기구를 제어하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 광학 특성 측정 장치는 관찰 반사광을 수광하여, 당해 관찰 반사광에 따른 영상 신호를 출력하는 촬상부를 더 포함하고, 조정 기구는 측정광의 광축을 따라 피측정물을 이동 가능하게 구성되고, 포커스 상태를 판단하는 단계는 촬상부로부터의 영상 신호를 기초로 하여 포커스 상태를 나타내는 값을 출력하는 단계를 포함하고, 조정 기구를 제어하는 단계는, 포커스 상태를 나타내는 값이 최대로 되도록, 광축을 따라 집광 광학계와 피측정물 사이의 거리를 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 반사 이미지에 있어서의 농담차가 상대적으로 작은 피측정물에 대한 포커스 맞춤을 더욱 용이하게 행할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 국면 및 이점은 첨부한 도면과 관련하여 이해되는 본 발명에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중 동일 또는 상당 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 그 설명은 반복하지 않는다.
[제1 실시 형태]
(전체 구성)
본 발명의 제1 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)는, 대표적으로 현미 분광식의 측정 장치이며, 피측정물로부터의 반사광의 스펙트럼을 측정함으로써 피측정물에 형성된 박막 등에 대한 (절대 및/또는 상대) 반사율, 굴절률, 감쇠 계수 및 막 두께 등의 광학 특성(광학 정수)을 측정한다.
또한, 피측정물의 대표예로서는 반도체 기판, 유리 기판, 사파이어 기판, 석영 기판 및 필름 등의 재료의 표면에 박막이 형성(코팅)된 것이다. 더욱 구체적으로는, 박막 형성된 유리 기판은 액정 디스플레이(LCD : Liquid Crystal Display)나 플라즈마 디스플레이 패널(PDP : Plasma Display Panel) 등의 플랫 패널 디스플레 이(FPD : Flat Panel Display)의 디스플레이 유닛으로서 사용되고 있다. 또한, 박막 형성된 사파이어 기판은 질화물 반도체(GaN : Gallium Nitride)계의 LED(Light Emitting Diode)나 LD(Laser Diode)로서 사용되고 있다. 또한, 박막 형성된 석영 기판은 각종 광학 필터나 광학 부품 및 프로젝션 액정 부품 등에 사용되고 있다.
특히, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)는 유리 기판 등의 투명하고 반사율이 상대적으로 낮은 피측정물의 광학 특성을 측정할 때에, 포커스 맞춤에 이용되는 관찰광의 일부를 마스크함으로써 피측정물에 관찰 기준 이미지를 투사하고, 이 관찰 기준 이미지에 대응하는 반사 이미지를 기초로 하여 피측정물에 대한 포커스 맞춤을 행하는 것이다. 또한, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)는 포커스 맞춤에 이용되는 관찰광의 일부를 마스크함으로써, 그 표면에 어떠한 형상(패턴)도 형성되어 있지 않은 경면(鏡面) 형상의 피측정물에 대한 포커스 맞춤을 행할 수도 있다.
도1을 참조하여, 광학 특성 측정 장치(100A)는 제어 장치(2)와, 측정용 광원(10)과, 콜리메이트 렌즈(12)와, 커트 필터(14)와, 결상 렌즈(16, 36)와, 조리개부(18)와, 빔 스플리터(20, 30)와, 관찰용 광원(22)과, 광 섬유(24)와, 출사부(26)와, 핀홀 미러(32)와, 축 변환 미러(34)와, 관찰용 카메라(38)와, 표시부(39)와, 대물 렌즈(40)와, 스테이지(50)와, 가동 기구(52)와, 분광 측정부(60)와, 데이터 처리부(70)를 구비한다.
측정용 광원(10)은 피측정물 광학 특성의 측정에 이용되는 측정광을 생성하 는 광원으로, 대표적으로 중수소 램프(D2 램프)나 텅스텐 램프, 또는 그들의 조합으로 이루어진다. 그리고, 측정용 광원(10)이 발생하는 측정광은, 피측정물에 대한 광학 특성의 측정 범위(일례로서, 유리 기판 상에 형성된 박막에서는 250 ㎚ 내지 750 ㎚의 파장)을 포함한다. 또한, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)에서는 측정광을 포커스 맞춤에 사용하지 않으므로 측정광의 파장 대역을 임의로 설정 가능하며, 적외 대역이나 자외 대역 등의 가시 대역 이외의 파장만을 포함하는 측정광을 이용해도 좋다.
콜리메이트 렌즈(12)와, 커트 필터(14)와, 결상 렌즈(16)와, 조리개부(18)는, 측정용 광원(10)과 빔 스플리터(30)를 연결하는 광축(AX2) 상에 배치되어, 측정용 광원(10)으로부터 출사되는 측정광을 광학적으로 조정한다.
콜리메이트 렌즈(12)는 측정용 광원(10)으로부터의 측정광이 최초로 입사되는 광학 부품으로, 확산 광선으로서 전파하는 측정광을 굴절시켜 평행 광선으로 변환한다. 콜리메이트 렌즈(12)를 통과한 측정광은 커트 필터(14)에 입사된다.
커트 필터(14)는 측정광에 포함되는 파장을 광학 특성의 측정에 필요한 파장 범위로 제한하기 위한 광학 필터이다. 즉, 측정광에 포함되는 측정 범위 이외의 파장 성분은 측정 오차 요인으로 되기 때문에, 커트 필터(14)가 파장 범위 이외의 파장 성분을 커트한다. 대표적으로, 커트 필터(14)는 유리 기판 등에 증착된 다층막에 의해 형성된다.
결상 렌즈(16)는 측정광의 빔 직경을 조정하기 위해, 커트 필터(14)를 통과 한 측정광을 평행 광선으로부터 수렴 광선으로 변환한다. 결상 렌즈(16)를 통과한 측정광은 조리개부(18)에 입사된다.
조리개부(18)는 측정광의 광량을 소정량으로 조정한 후에 빔 스플리터(30)로 출사된다. 바람직하게는, 조리개부(18)는 결상 렌즈(16)에 의해 변환된 측정광의 결상 위치에 배치된다. 또한, 조리개부(18)의 조임량은 피측정물에 입사되는 측정광의 피사계 심도나 필요한 광 강도 등에 따라서 적절하게 설정된다.
한편, 관찰용 광원(22)은 피측정물로의 포커스 맞춤이나 측정 위치의 확인에 사용되는 관찰광을 생성하는 광원으로, 제어 장치(2)로부터의 지령에 따라서 관찰광의 생성을 개시 또는 정지한다. 그리고, 관찰용 광원(22)이 발생하는 관찰광은, 피측정물에서 반사 가능한 파장을 포함하도록 선택된다. 또한, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)에서는, 관찰광은 광학 특성의 측정에 사용되지 않으므로, 피측정물로의 포커스 맞춤이나 측정 위치의 확인에 적합한 파장 대역 및 광량을 갖는 임의의 광원을 채용할 수 있다. 관찰용 광원(22)은 광 섬유(24)를 통해 출사부(26)와 접속되어 있고, 관찰용 광원(22)에서 생성된 관찰광은, 광 도파로인 광 섬유(24)를 전파한 후에 출사부(26)로부터 빔 스플리터(20)를 향해 출사된다.
출사부(26)는 관찰용 광원(22)으로부터 빔 스플리터(20)까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 배치되는 동시에, 소정의 관찰 기준 이미지가 피측정물로 투사되도록 관찰광의 일부를 마스크하는 마스크부(26a)를 포함한다. 즉, 관찰용 광원(22)에서 생성된 직후의 관찰광의 빔 단면에 있어서의 광 강도(광량)는 대략 균일하나, 마스크부(26a)가 이 관찰광의 일부를 마스크(차폐)함으로써, 관찰광에는 그 빔 단면에 있어서 광 강도가 대략 제로인 영역(그림자 영역)이 형성된다. 이 그림자 영역이 관찰 기준 이미지로서 피측정물에 투사된다. 이하에서는, 이와 같은 관찰 기준 이미지를「레티클(reticle) 이미지」라고도 칭한다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)는, 레티클 이미지를 포함하는 관찰광을 피측정물에 조사함으로써, 그 표면에 어떠한 형상(패턴)도 형성되어 있지 않은 반사율이 낮은 피측정물(대표적으로, 투명한 유리 기판 등)에 대해서도, 당해 투사된 레티클 이미지를 기초로 하여 포커스 맞춤을 용이하게 행할 수 있다. 또한, 조사된 관찰광의 거의 전부 반사되는 경면 형상의 시료에 대해서도 레티클 이미지에 의해 반사 이미지에는 농담차가 발생하므로, 포커스 맞춤을 용이하게 행할 수 있다. 또한, 레티클 이미지의 형상은 어느 것이라도 좋으나, 일례로서 동심원 형상이나 십자 형상의 패턴 등을 이용하는 것이 바람직하다.
스테이지(50)는 피측정물을 배치하기 위한 가동 가능한 시료대로, 그 배치면은 평탄하게 형성된다. 이 스테이지(50)는, 일례로서 기계적으로 연결된 가동 기구(52)에 의해 3방향(X방향ㆍY방향ㆍZ방향)으로 가능하게 구동된다. 또한, 본 명세서에 있어서「Z방향」은 광축(AX1)을 따른 방향을 의미하고,「X방향」및「Y방향」은 광축(AX1)과 직교하는 면 상의 독립된 2개의 방향을 의미한다. 또한, 가동 기구(52)는, 일례로서 3축분의 서보 모터와, 각 서보 모터를 구동하기 위한 서보 드라이버를 포함하여 구성된다. 그리고, 가동 기구(52)는 제어 장치(2)로부터의 스테이지 위치 지령에 응답하여 스테이지(50)를 구동한다. 이 스테이지(50)의 구 동에 의해, 피측정물과 후술하는 대물 렌즈(40) 사이의 위치 관계가 조정된다.
대물 렌즈(40)와, 빔 스플리터(20)와, 빔 스플리터(30)와, 핀홀 미러(32)는, 스테이지(50)의 평탄면에 수직인 방향으로 연신하는 광축(AX1) 상에 배치된다.
빔 스플리터(30)는, 측정용 광원(10)에서 생성되는 측정광을 반사함으로써, 그 전파 방향을 광축(AX1)의 지면(紙面) 하향으로 변환한다. 또한, 빔 스플리터(30)는 광축(AX1)을 지면 상향으로 전파하는 피측정물로부터의 반사광을 투과시킨다. 대표적으로, 빔 스플리터(30)는 하프 미러로 구성된다.
한편, 빔 스플리터(20)는, 관찰용 광원(22)에서 생성되는 관찰광을 반사함으로써, 그 전파 방향을 광축(AX1)의 지면 하향으로 변환한다. 동시에, 빔 스플리터(20)는, 광축(AX1)을 지면 하향으로 전파하는 빔 스플리터(30)에서 반사된 측정광을 투과시킨다. 즉, 빔 스플리터(20)는 측정용 광원(10)으로부터 집광 광학계인 대물 렌즈(40)까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서 관찰광을 주입하는 광 주입부로서 기능한다. 이 빔 스플리터(20)에서 합성된 측정광과 관찰광은 대물 렌즈(40)에 입사된다. 또한, 빔 스플리터(20)는 광축(AX1)을 지면 상향으로 전파하는 피측정물로부터의 반사광을 투과시킨다. 대표적으로, 빔 스플리터(20)는 하프 미러로 구성된다.
대물 렌즈(40)는 광축(AX1)을 지면 하향으로 전파하는 측정광 및 관찰광을 집광하기 위한 집광 광학계이다. 즉, 대물 렌즈(40)는 피측정물 또는 그 근접한 위치에서 결상하도록 측정광 및 관찰광을 수렴시킨다. 또한, 대물 렌즈(40)는 소정의 배율(예를 들어, 10배, 20배, 30배, 40배 등)을 갖는 확대 랜즈로, 이에 의해 피측정물의 측정 대상 영역을 대물 렌즈(40)에 입사되는 광의 빔 단면에 비교하여 보다 미소화할 수 있다. 그로 인해, 피측정물의 보다 미소한 영역에 대한 광학 특성을 측정할 수 있다.
또한, 대물 렌즈(40)로부터 피측정물에 입사된 측정광 및 관찰광의 일부는 피측정물에서 반사되고, 광축(AX1) 상에서 지면 상향으로 전파한다. 이 반사광은, 대물 렌즈(40)를 투과한 후, 빔 스플리터(20 및 30)도 투과하여 핀홀 미러(32)까지 도달한다.
핀홀 미러(32)는, 피측정물에서 발생하는 반사광 중, 측정 반사광과 관찰 반사광을 분리하는 광 분리부로서 기능한다. 구체적으로는, 핀홀 미러(32)는 광축(AX1)을 지면 상향으로 전파하는 피측정물로부터의 반사광을 반사하는 반사면을 포함하고, 그 반사면과 광축(AX1)의 교점을 중심으로 하는 구멍 개방부(핀홀)(32a)가 형성되어 있다. 이 핀홀(32a)의 크기는, 측정용 광원(10)으로부터의 측정광이 피측정물에서 반사되어 발생하는 측정 반사광의, 핀홀 미러(32)의 위치에 있어서의 빔 직경에 비교하여 작아지도록 형성된다. 또한, 이 핀홀(32a)은 각각 측정광 및 관찰광이 피측정물에서 반사되어 발생하는 측정 반사광 및 관찰 반사광의 결상 위치와 일치하도록 배치된다. 이와 같은 구성에 의해, 피측정물에서 발생한 반사광 중 광축(AX1) 근방의 성분은, 핀홀(32a)을 통과하여 분광 측정부(60)에 입사된다. 한편, 반사광의 잔부는 그 전파 방향이 변환되어 축 변환 미러(34)에 입사한다.
분광 측정부(60)는 핀홀 미러(32)를 통과한 측정 반사광의 스펙트럼을 측정하고, 그 측정 결과를 데이터 처리부(70)로 출력한다. 더욱 상세하게는, 분광 측 정부(60)는 회절 격자(그레이팅)(62)와, 검출부(64)와, 커트 필터(66)와, 셔터(68)를 포함한다.
커트 필터(66)와, 셔터(68)와, 회절 격자(62)는 광축(AX1) 상에 배치된다. 커트 필터(66)는 핀홀을 통과하여 분광 측정부(60)에 입사되는 측정 반사광에 포함되는 측정 범위 외의 파장 성분을 제한하기 위한 광학 필터로, 특히 측정 범위 외의 파장 성분을 커트한다. 셔터(68)는 검출부(64)를 리셋할 때 등에, 검출부(64)에 입사되는 광을 차단하기 위해 사용된다. 셔터(68)는, 대표적으로 전자기력에 의해 구동하는 기계식 셔터로 이루어진다.
회절 격자(62)는 입사하는 측정 반사광을 분광한 후, 각 분광파를 검출부(64)로 유도한다. 구체적으로는, 회절 격자(62)는 반사형의 회절 격자로, 소정의 파장 간격마다의 회절파가 대응하는 각 방향으로 반사하도록 구성된다. 이와 같은 구성을 갖는 회절 격자(62)에 측정 반사파가 입사하면, 포함되는 각 파장 성분은 대응하는 방향으로 반사되어, 검출부(64)의 대응하는 검출 영역으로 입사한다. 회절 격자(62)는, 대표적으로 플랫 포커스형 구면 그레이팅으로 이루어진다.
검출부(64)는, 측정 반사광의 스펙트럼을 측정하기 위해, 회절 격자(62)에서 분광된 측정 반사광에 포함되는 각 파장 성분의 광 강도에 따른 전기 신호를 출력한다. 검출부(64)는, 대표적으로 포토다이오드 등의 검출 소자를 어레이 형상으로 배치한 포토다이오드 어레이나, 매트릭스 형상으로 배치된 CCD(Charged Coupled Device) 등으로 이루어진다.
또한, 회절 격자(62) 및 검출부(64)는 광학 특성의 측정 파장 범위 및 측정 파장 간격 등에 따라서 적절하게 설계된다.
데이터 처리부(70)는 검출부(64)로부터의 측정 결과(전기 신호)를 기초로 하여 각종 데이터 처리(대표적으로는, 피팅 처리나 노이즈 제거 처리)를 행하고, 피측정물의 반사율, 굴절률, 감쇠 계수 및 막 두께 등의 광학 특성(광학 정수)을 제어 장치(2)나 도시하지 않은 그 밖의 장치로 출력한다.
한편, 핀홀 미러(32)에서 반사된 관측 반사광은 광축(AX3)을 따라 전파하여 축 변환 미러(34)로 입사된다. 축 변환 미러(34)는 관측 반사광의 전파 방향을 광축(AX3)으로부터 광축(AX4)으로 변환한다. 그러면, 관측 반사광은 광축(AX4)을 따라 전파하고, 관찰용 카메라(38)로 입사된다.
관찰용 카메라(38)는 관찰 반사광을 수광하여, 수광한 관찰 반사광에 따른 영상 신호를 출력하는 촬상부로, 대표적으로는 CCD(Charged Coupled Device)나 CM0S(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서 등으로 이루어진다. 또한, 관찰용 카메라(38)의 감도 파장은 관찰광에 포함되는 파장을 커버하도록 설정되고, 대표적으로 가시 대역에 감도를 갖는 것이 일반적이다. 그리고, 관찰용 카메라(38)는 수광한 관찰 반사광에 따른 영상 신호를 표시부(39) 및 제어 장치(2)로 출력한다. 표시부(39)는 관찰용 카메라(38)로부터의 영상 신호를 기초로 하여 관찰 반사광의 이미지를 화면 상에 표시한다. 사용자는 이 표시부(39)에 표시되는 이미지를 육안으로 보고 측정 위치의 확인 등을 행할 수도 있다. 표시부(39)는, 대표적으로 액정 디스플레이(LCD) 등으로 이루어진다.
제어 장치(2)는 관찰용 카메라(38)로부터의 영상 신호를 기초로 하여, 관찰 반사광에 포함되는 레티클 이미지에 대응하는 반사 이미지를 기초로 하여 피측정물에 있어서의 측정광의 포커스 상태를 판단하고, 그 포커스 상태의 판단 결과에 따라서 가동 기구(52)를 구동한다. 상술한 바와 같이, 측정광 및 관찰광은 모두 대물 렌즈(40)를 통해 피측정물에 입사된다. 그로 인해, 측정용 광원(10)으로부터 대물 렌즈(40)까지의 광학 경로와 관찰용 광원(22)으로부터 대물 렌즈(40)까지의 광학 경로를 광학적으로 등가로 설계함으로써, 피측정물에 대한 관찰광의 포커스 상태와 피측정물에 대한 측정광의 포커스 상태를 실질적으로 동일하게 간주할 수 있다. 바꾸어 말하면, 관찰광이 피측정물에 있어서 포커싱 상태에 있으면, 측정광에 대해서도 피측정물에 있어서 포커싱 상태라 간주할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)에서는, 관찰광이 피측정물에서 반사하여 발생하는 관찰 반사광에 의한 반사 이미지의 포커스 상태를 기초로 하여, 피측정물에 있어서의 측정광의 포커스 상태를 판단한다.
더욱 구체적으로는, 제어 장치(2)는 관찰용 카메라(38)로부터의 영상 신호를 기초로 하여, 피측정물에 있어서의 측정광의 포커스 상태를 나타내는 값(이하,「포커스값」이라고도 칭함)을 산출하고, 이 포커스값이 최대로 되도록 피측정물과 대물 렌즈(40) 사이의 위치 관계를 제어한다. 이 포커스값의 산출 방법이나 위치 관계의 제어 방법 등에 대해서는 후술한다.
또한, 제어 장치(2)는 포커스값이 최대로 되는 피측정물[스테이지(50)]의 Z방향의 위치에 상당하는 포커스 위치(Mz)를 XY 평면 상의 복수의 좌표에 대해 각각 취득하고, 취득한 복수의 포커스 위치(Mz)를 기초로 하여 피측정물의 공간적인 변 곡점을 탐색한다. 본 명세서에 있어서「공간적인 변곡점」이라 함은, 피측정물이 볼록 형상이나 오목 형상 등의 표면 형상을 갖는 경우에, 그 정상점이나 바닥점 등의 공간적인 변화 방향이 바뀌는 점을 의미한다. 더욱 구체적으로는, 피측정물이 볼록 형상의 렌즈 등인 경우에 있어서, 제어 장치(2)는 당해 렌즈의 정상점을「공간적인 변곡점」으로서 판단한다. 이 공간적인 변곡점의 탐색에 관한 처리에 대해서도 후술한다.
제어 장치(2)는, 대표적으로 CPU(Central Processing Unit)와, RAM(Random Access Memory)과, 하드 디스크 장치를 포함하는 컴퓨터(모두 도시하지 않음)로 구성되고, 하드 디스크 장치에 미리 저장된 프로그램이 RAM에 판독된 후, CPU가 당해 프로그램을 실행함으로써, 본 발명에 관한 처리가 실현된다. 또한, 본 발명에 관한 처리의 일부 또는 전부를 하드웨어에 의해 실현해도 좋다.
상술한 도1과 본원 발명과의 대응 관계에 대해서는, 측정용 광원(10)이「측정용 광원」에 상당하고, 관찰용 광원(22)이「관찰용 광원」에 상당하고, 대물 렌즈(40)가「집광 광학계」에 상당하고, 빔 스플리터(20)가「광 주입부」에 상당하고, 마스크부(26a)가「마스크부」에 상당하고, 핀홀 미러(32)가「광 분리부」에 상당하고, 관찰용 카메라(38)가「출력부」에 상당하고, 가동 기구(52)가「조정 기구」에 상당하고, 관찰용 카메라(38)가「촬상부」에 상당한다.
(관찰 기준 이미지)
도2는 피측정물에 관찰 기준 이미지를 투사하는 구성을 더욱 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도2를 참조하여, 관찰용 광원(22)(도1)이 발생하는 관찰광은 광 섬유(24)를 통해 출사부(26)로 유도된다. 이 관찰용 광원(22)이 발생하는 관찰광의 빔 단면(대표적으로, 원 형상)의 광 강도(광량)는 A-A 단면으로서 도시하는 바와 같이 대략 균일하다. 그리고, 출사부(26)에 포함되는 마스크부(26a)가 관찰광의 일부를 마스크함으로써, 그 빔 단면에 있어서 레티클 이미지에 상당하는 영역의 광 강도가 대략 제로가 된다. 즉, 출사부(26)를 통과한 후의 관찰광의 빔 단면(원 형상)의 광 강도에는, B-B 단면으로서 도시하는 바와 같이 레티클 이미지에 상당하는 그림자 영역이 형성되어 있다. 그리고, 이 레티클 이미지에 상당하는 그림자 영역을 포함하는 관찰광은 빔 스플리터(20)에서 반사되어, 광축(AX1)을 따라 피측정물(OBJ)을 향해 진행한다.
한편, 측정용 광원(10)(도1)이 발생하는 측정광은 빔 스플리터(30)에서 반사되어, 광축(AX1)을 따라 피측정물(OBJ)을 향해 진행한다. 여기서, 측정광의 빔 단면(원 형상)의 광 강도(광량)는 C-C 단면으로서 도시한 바와 같이 대략 균일하다.
이와 같이 하여, 피측정물(OBJ)에는 측정광 및 관찰광이 조사된다.
도3은 관찰용 카메라(38)에서 촬영되는 피측정물(OBJ)로부터의 관찰 이미지의 일례를 나타내는 도면이다.
도3을 참조하여, 관찰용 카메라(38)에서는 피측정물(OBJ)에 투사되는 관찰광의 빔 직경에 따른 관찰 시야(80)를 얻을 수 있다. 이 관찰 시야(80) 내에는, 피측정물(OBJ)로부터의 반사 이미지가 포함되는 동시에, 피측정물(OBJ)에 투사되는 레티클 이미지에 대응하는 반사 이미지(86)가 포함된다. 또한, 관찰 시야(80)의 중심부에는, 핀홀 미러(32)에 설치되는 핀홀(32a)(도1)에 의한 그림자부(82)가 존재하고 있다. 즉, 그림자부(82)는 측정광이 피측정물(OBJ)에서 반사되어 발생하는 측정 반사광이 분리된 것에 의한 것이다.
본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)는, 도3에 도시하는 레티클 이미지에 대응하는 반사 이미지(86)의 농담차(콘트라스트차)를 기초로 하여 피측정물(OBJ)에 대한 측정광의 포커스 상태를 판단한다.
또한, 관찰광은 가시 대역의 파장을 포함하도록 설정되는 경우가 많으나, 피측정물의 가시 대역의 파장에 대한 반사율이 매우 작은 경우(예를 들어, 가시 반사 방지막 등)에는, 관찰광이 근적외나 자외선 영역의 파장을 포함하도록 설정해도 좋다. 이 경우에는, 관찰용 카메라(38)의 수광 감도에 대해서도 관찰광의 파장에 대응하도록 선택된다.
(측정광 및 관찰광의 빔 직경)
피측정물이 볼록 형상의 렌즈 등인 경우에는 구면 형상의 표면에 측정광이 입사되기 때문에, 측정광의 빔 직경(조사 스폿 직경)이 피측정물의 곡률 반경 등에 비교하여 큰 경우에는, 측정광이 피측정물의 표면에서 분산되어 입사 경로와는 별도의 경로에 반사되는 비율이 커진다. 즉, 측정광 중 피측정물에서 정반사하는 광량이 저하되므로, 반사율이나 막 두께 등의 광학 특성을 정확하게 측정할 수 없다.
그로 인해, 광학 특성의 측정 정밀도를 더욱 향상시키는 관점으로부터는, 피측정물에 입사되는 측정광의 빔 직경은 상대적으로 작은 것이 바람직하다. 일례로서, 피측정물에 입사되는 측정광의 빔 직경과 피측정물의 크기의 관계로서는, 직경 이 3 내지 7 ㎜인 렌즈를 피측정물로 하는 경우에는, 측정광의 빔 직경은 0.01 ㎜ 정도로 하는 것이 바람직하다.
또한, 측정광의 전파시에 그 광학 경로 상에 있는 렌즈 표면에서 약간이나 반사가 발생하거나, 측정 반사광이 핀홀(32a)로부터 어긋난 위치에서의 결상이 발생한다. 이와 같은 분광 측정부(60)에 바람직하지 않은(입사되지 않았으면 하는) 광은 내부 반사광이라고도 칭해지고, 측정 오차의 요인으로 될 수 있으나, 전파 중의 측정광의 빔 직경을 작게 함으로써, 핀홀(32a)에 입사되는 이와 같은 내부 반사광을 저감할 수 있다. 예를 들어, 측정광의 빔 직경을 1/8로 하면, 단순 계산으로 내부 반사광은 약 1/64로 저감할 수 있다. 또한, 반사 불균일이나 난반사의 영향도 억제할 수 있으므로, 실제로는 내부 반사광을 더욱 저감하는 것이 가능해진다.
이에 대해, 피측정물에 대한 포커스 맞춤을 더욱 용이하게 행하는 관점으로부터는, 피측정물에 입사되는 관찰광의 빔 직경은 상대적으로 큰 것이 바람직하다. 이것은 가능한 한 큰 관찰 시야를 확보하기 위해서이다.
따라서, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)에서는, 도2에 나타내는 바와 같이, 빔 스플리터(20)에 있어서의 측정광의 빔 직경이, 빔 스플리터(20)에 있어서의 관찰광의 빔 직경과 비교하여 작아지도록 설계된다.
(제어 장치에 있어서의 처리)
도4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따르는 제어 장치(2)의 기능 구성을 도시하는 블럭도이다.
도4를 참조하여, 제어 장치(2)는 그 기능으로서, 포커스 상태 판단부(2A)와 위치 제어부(2B)를 포함한다.
포커스 상태 판단부(2A)는 관찰광이 피측정물에서 반사되어 발생하는 관찰 반사광에 포함되는 레티클 이미지에 대응하는 반사 이미지를 기초로 하여, 피측정물에 있어서의 측정광의 포커스 상태를 판단한다. 더욱 구체적으로는, 관찰용 카메라(38)로부터의 관찰 반사광에 따른 영상 신호를 기초로 하여 포커스값[이하, FV(Focus Value)라고도 기재함]을 산출하고, 위치 제어부(2B)로 출력한다. 또한, 포커스 상태 판단부(2A)는 관찰용 카메라(38)로부터 영상 신호 중 미리 설정된 일부 영역의 신호 성분을 기초로 하여 포커스값을 산출할 수도 있다.
한편, 위치 제어부(2B)는 포커스 상태 판단부(2A)로부터의 포커스값에 따라서 스테이지 위치 지령을 출력함으로써 가동 기구(52)를 구동하고, 대물 렌즈(40)(도1, 도2)와 피측정물 사이의 위치 관계를 조정한다. 구체적으로는, 위치 제어부(2B)는 포커스값이 최대로 되도록 광축(AX1)을 따라 대물 렌즈(40)와 피측정물 사이의 거리를 조정한다.
상술한 도4와 본원 발명의 대응 관계에 대해서는, 포커스 상태 판단부(2A)가「포커스 상태 판단부」에 상당하고, 위치 제어부(2B)가「위치 제어부」에 상당한다.
(포커스값 산출 처리)
도5는 관찰용 카메라(38)로부터 출력되는 영상 신호의 데이터 구조를 도시하는 도면이다.
도5를 참조하여, 관찰용 카메라(38)에서는 관찰용 광원(22)측으로부터 광 축(AX1)을 따라 스테이지(50)를 관찰한 반사 이미지가 촬영된다. 즉, 관찰용 카메라(38)로부터는, 스테이지(50) 상의 X방향 및 Y방향에 대응하는 반사 이미지를 나타내는 영상 신호가 출력된다. 이와 같은 영상 신호는 촬영 주기마다 갱신되는 프레임(200)을 포함한다. 또한, 도5에서는, 설명의 편의상, 프레임(200)의 행방향이 스테이지(50) 상의 X방향에 대응하고, 프레임(200)의 열방향이 스테이지(50) 상의 Y방향에 대응하는 예를 나타내나, 이와 같은 대응 관계에 한정되는 것은 아니다.
이 프레임(200)은 행렬 형상으로 배치된 복수의 화소의 각각에 대응하는 m행×n열의 휘도 데이터로 구성된다. 이 각 화소에 대응하는 휘도 데이터는, 관찰용 카메라(38)가 모노크롬 카메라이면, 대표적으로 농담치로서 0 내지 255의 어느 한 레벨을 취하고, 관찰용 카메라(38)가 컬러 카메라이면, 대표적으로 적(R), 녹(G), 청(B)의 각각에 대해 0 내지 255의 어느 한 레벨을 취한다.
포커스 상태 판단부(2A)는 각 화소의 휘도 데이터에 대한 히스토그램을 산출하고, 그 히스토그램을 기초로 하여 포커스값을 판단한다.
도6a 및 도6b는 휘도 데이터로부터 산출되는 히스토그램의 일례를 나타내는 도면이다.
도6a는 포커스가 맞지 않은 상태에 있어서의 히스토그램을 나타내고, 도6b는 포커스가 맞는 상태에 있어서의 히스토그램을 나타낸다.
도6a 및 도6b에 나타내는 바와 같이, 히스토그램은 프레임(200)을 구성하는 화소에 대한 휘도 레벨의 분포 상태를 나타내는 것으로, 각 휘도 레벨에 대응시켜 당해 휘도 레벨을 갖는 화소수를 작도한 것이다. 또한, 도6a 및 도6b에 도시하는 히스토그램은 일차원의 휘도 레벨을 기초로 하는 것이므로, 각 화소가 적(R), 녹(G), 청(B)에 대한 3차원의 휘도 레벨을 갖는 경우 등에 있어서는, 적(R), 녹(G), 청(B) 중 특정의 색에 대한 휘도 레벨을 이용하거나, 적(R), 녹(G), 청(B)의 휘도 레벨을 합계한 값을 이용하여 히스토그램을 산출할 수 있다. 또한, 각 화소의 휘도 레벨에 의한 히스토그램 대신에, 또는 그것에 부가하여, 행방향 또는 열방향에 인접하는 화소간의 휘도 레벨의 차분치를 기초로 하는 히스토그램을 산출해도 좋다.
이와 같이 산출된 히스토그램에는 포커스 상태에 따라서 다른 특징이 나타난다. 대표적으로, 피측정물에 대해 측정광(관찰광)의 포커스가 맞지 않으면, 산출되는 히스토그램은 상대적으로 완만한 피크가 나타난다(도6a). 한편, 피측정물에 대해 측정광(관찰광)의 포커스가 맞으면, 산출되는 히스토그램은 상대적으로 급준한 피크가 나타난다(도6b). 따라서, 포커스 상태 판단부(2A)는 히스토그램에 나타나는 이와 같은 특징적인 변화를 기초로 하여 포커스값을 산출한다.
대표적으로, 포커스 상태 판단부(2A)는 히스토그램에 나타나는 피크의 분산(dispersion) 정도를 기초로 하여 포커스값을 산출한다. 더욱 구체적으로는, 포커스 상태 판단부(2A)는 휘도 데이터의 히스토그램을 산출하여 그 피크치 PK(a), PK(b)를 각각 취득한다. 그리고, 포커스 상태 판단부(2A)는 취득한 피크치에 소정의 저감율(α)을 곱한 값 αPK(a), αPK(b)에 각각 대응하는 히스토그램의 폭 SW(a), SW(b)를 취득한다. 포커스 상태 판단부(2A)는 이 히스토그램의 폭 SW(a), SW(b)를 기초로 하여 포커스값을 결정한다. 즉, 히스토그램의 폭(SW)이 작을수록 포커스값은 커진다.
이와 같은 포커스값의 산출 처리에 있어서, 프레임(200)에 포함되는 모든 화소의 휘도 데이터를 사용해도 좋으나, 피측정물의 형상에 따라서는 프레임(200)에 포함되는 화소 중 미리 설정된 일부 영역에 상당하는 화소의 휘도 데이터만을 이용하는 것이 바람직한 경우도 있다.
도7은 볼록 형상의 구면을 갖는 피측정물을 측정하는 경우에 취득되는 관찰 이미지의 개념도이다.
도7을 참조하여, 렌즈 등의 볼록 형상의 구면을 갖는 피측정물(OBJ)의 표면상의 각 점과 대물 렌즈(40) 사이의 거리는 표면 형상에 따라서 다르다. 여기서, 대물 렌즈(40)가 소정의 배율을 갖는 확대 랜즈로 이루어지는 경우에는, 피사계 심도는 매우 작아진다(예를 들어, 수 10 ㎛ 정도). 그로 인해, 관찰용 카메라(38)에서 촬영되는 관찰 이미지 중, 소정의 범위만이 포커싱 상태로 되는 경우가 있다.
예를 들어, 피측정물(OBJ)이 구면 형상이면, 프레임(200)에 포함되는 관찰 시야(80) 중, Z방향의 위치가 소정 범위 내(즉, 피사계 심도 내)에 있는 영역(210)에 대해서만 포커싱 상태로 될 수 있다. 그로 인해, 투사되는 레티클 이미지(204) 중, 영역(210)[단면에 있어서의 영역(202)]에 상당하는 범위(도7에 있어서 실선 부분)에 대해서는 명료하게 관찰할 수 있는 한편, 영역(210)에 상당하는 범위 이외(도7에 있어서 파선 부분)에 대해서는 희미해진 상태에서 관찰된다.
따라서, 프레임(200)의 관찰 시야(80)에 비교하여 포커스 맞춤 가능한 영역이 작은 경우에는, 프레임(200)에 포함되는 화소 중 포커스를 맞추고자 하는 영역 에 대응하는 화소의 휘도 데이터를 이용하여, 포커스값을 산출하는 것이 바람직하다. 즉, 관찰용 카메라(38)로부터 출력되는 관찰 반사광에 따른 영상 신호 중, 미리 설정된 영역(220)에 상당하는 신호 성분을 기초로 하여, 포커스값을 산출하는 것이 바람직하다. 또한, 상술한 바와 같이, 관찰 시야(80)(즉, 관찰광의 빔 직경)에 비교하여 측정광의 조사 스폿(즉, 측정광의 빔 직경)이 작아지도록 설계되므로, 포커스값의 산출에는 프레임(200)에 포함되는 화소 중 측정광이 조사되는 영역에 대응하는 화소, 또는 당해 영역을 포함하는 영역에 대응하는 화소를 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
도5를 참조하여, 일례로서 포커스 상태 판단부(2A)는 관찰용 카메라(38)로부터 출력되는 영상 신호의 프레임(200)을 구성하는 화소 중 포커스를 맞춰야 할 영역(220)에 포함되는 화소를 추출하고, 이 추출한 화소 휘도 데이터를 기초로 하여 포커스값을 산출한다.
또한, 포커스값의 산출 처리로서는 상기한 방법 이외의 공지의 방법을 이용하는 것도 가능하다.
(포커스 맞춤 처리)
상술한 바와 같이, 포커스 상태 판단부(2A)에서 산출되는 포커스값에 따라서, 위치 제어부(2B)는 대물 렌즈(40)와 피측정물 사이의 거리를 광축(AX1)을 따라 조정, 즉 피측정물에 있어서의 측정광(관측광)의 포커스 맞춤을 행한다.
구체적으로는, 위치 제어부(2B)는 광축(AX1)을 따라 대물 렌즈(40)와 피측정물 사이의 거리(Z방향 위치)를 순차 변경하는 동시에, 변경 후의 각 위치에 있어서 산출되는 포커스값을 순차 취득하고, 포커스값이 최대로 되는 Z방향 위치를 탐색한다.
도8은 대물 렌즈(40)와 피측정물 사이의 거리 변화에 수반하는 포커스값(FV)의 변화 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
도8을 참조하여, 위치 제어부(2B)가 스테이지 위치 지령을 가동 기구(52)에 부여하고, 대물 렌즈(40)와 피측정물 사이의 거리를 광축(AX1)을 따라 변화시키면, 포커스 상태 판단부(2A)에서 산출되는 포커스값(FV)은 포커스 위치(Mz)에 접근함에 따라서 커져 간다. 그리고, 측정광(관측광)이 피측정물에 포커스가 맞는 위치, 즉 피측정물이 대물 렌즈(40)에 의해 집광되는 측정광(관측광)의 결상 위치에 일치한 상태에 있어서, 포커스값(FV)은 극대치를 취한다.
이와 같은 특성을 이용하여, 위치 제어부(2B)는 포커스값이 최대로 되는 Z방향 위치를 탐색함으로써 측정광(관측광)의 초점 맞춤을 행한다. 여기서, 포커스 위치(Mz)는, 대표적으로 Z방향의 기준 위치로부터의 거리를 의미한다.
또한, 포커스값(FV) 산출 대상으로 되는 Z방향의 최소 간격 폭(이하, 포커스 분해능이라도 칭함)은 비교적 작게 할 수 있으므로, 이 포커스 분해능의 단위로 포커스 위치(Mz)를 탐색하면, 탐색 범위의 크기에 따라서는 매우 연산 처리량이 많아진다. 따라서, 포커스 분해능보다 큰 Z방향의 폭(이하, 포커스 탐색 분해능이라고도 칭함)의 단위로 거친 조정을 행한 후, 포커스 분해능의 단위로 미세 조정을 행하는 것이 바람직하다. 또한, 포커스 탐색 분해능은 포커스 분해능의 정수배인 것이 바람직하다.
도9는 포커스 위치의 탐색에 관한 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도9를 참조하여, 스테이지(50)의 가동 범위나 피측정물 높이 등에 따라서, Z방향을 따른 소정의 포커스 위치 탐색 범위가 미리 정해져 있다고 한다. 우선, 위치 제어부(2B)는 거친 조정을 행하기 위해, 포커스 탐색 분해능의 단위로 피측정물을 Z방향으로 이동한다. 도9에 나타내는 예에서는, 위치 제어부(2B)가 피측정물[스테이지(50)]을 Z방향 위치 Pr1 내지 Pr6의 6군데로 순차 이동시킨다. 그리고, 위치 제어부(2B)는 Z방향 위치 Pr1 내지 Pr6 각각에 있어서 포커스 상태 판단부(2A)가 산출하는 포커스값 FV(Pr1) 내지 FV(Pr6)를 취득한다. 그 후, 취득된 포커스값 FV(Pr1) 내지 FV(Pr6) 중 최대값으로 되는 것을 추출한다. 도9에 나타내는 예에서는, Z방향 위치 Pr3에서의 포커스값 FV(Pr3)가 최대값이었던 경우를 나타낸다.
이와 같이 거친 조정이 완료되면, 위치 제어부(2B)는 미세 조정을 행한다. 즉, 위치 제어부(2B)는, 최대의 포커스값이 얻어진 Z방향 위치 Pr3을 중심으로 하는 포커스 탐색 분해능의 범위에 대해, 포커스 분해능의 단위로 피측정물을 Z방향으로 이동한다. 도9에 나타내는 예에서는, 포커스 탐색 분해능이 포커스 분해능의 6배로 설정되어 있다고 한다. 이 경우에 있어서, 위치 제어부(2B)는 피측정물[스테이지(50)]을 Z방향 위치 Pf1 내지 Pf6의 6군데로 순차 이동시킨다. 그리고, 위치 제어부(2B)는 Z방향 위치 Pf1 내지 Pf6 각각에 있어서 포커스 상태 판단부(2A)가 산출하는 포커스값 FV(Pf1) 내지 FV(Pf6)를 취득한다. 그 후, 취득된 포커스값 FV(Pf1) 내지 FV(Pf6) 중 최대값으로 되는 것을 추출한다. 도9에 나타내는 예에서 는, Z방향 위치 Pf5에서의 포커스값 FV(Pf5)가 최대값이었던 경우를 나타낸다. 그러면, 위치 제어부(2B)는, 이 포커스값이 최대로 되는 Z방향 위치 Pf5가 포커스 위치(Mz)라고 판단한다.
이와 같이, 거친 조정 및 미세 조정 2단계에서 포커스 위치(Mz)를 탐색함으로써, 피측정물의 이동 및 포커스값의 산출 등의 일련의 작업 횟수를 저감할 수 있다. 또한, 도9에 나타내는 예에서는, 포커스 위치 탐색 범위에 대해 미세 조정만으로 포커스 위치를 탐색한 경우에는 36회의 처리가 필요하나, 거친 조정 및 미세 조정의 2단계에서 포커스 위치(Mz)를 탐색한 경우에는 12회의 처리로 끝나, 단순 계산으로 포커스 위치(Mz)의 탐색 시간을 1/3로 저감할 수 있다.
또한, 상술한 예에서는, 2단계로 포커스 위치를 탐색하는 구성에 대해 예시했으나, 탐색 범위(분해능)를 더 많은 단수로 절환하여 포커스 위치를 더욱 효율적으로 탐색하도록 해도 좋다.
도10은 본 발명의 제1 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)를 이용한 포커스 맞춤 처리의 순서를 나타내는 흐름도이다.
도10을 참조하여, 우선 사용자 조작 등에 응답하여, 관찰용 광원(22)이 관찰광의 발생을 개시한다(단계 S100). 이 발생한 관찰광이 대물 렌즈(40)를 통해 피측정물에 입사되면, 피측정물에서 발생한 관찰 반사광이 핀홀 미러(32) 등을 통해 관찰용 카메라(38)에 입사된다. 관찰용 카메라(38)는 이 관찰 반사광을 수광하여, 당해 관찰 반사광에 따른 영상 신호를 제어 장치(2)로 출력 개시한다(단계 S102).
제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 피측정물[스테이지(50)]을 미리 정해진 Z 방향의 초기 위치로 이동한다(단계 S104). 그리고, 제어 장치(2)의 포커스 상태 판단부(2A)가 관찰용 카메라(38)로부터의 영상 신호를 기초로 하여 포커스값을 산출하고(단계 S106), 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)가 산출된 포커스값을 당해 시점의 Z방향 위치와 대응시켜 저장한다(단계 S108).
그 후, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 소정의 포커스 위치 탐색 범위의 전체 범위에 대한 탐색이 완료되었는지 여부를 판단한다(단계 S110). 포커스 위치 탐색 범위 전체 범위에 대한 탐색이 완료되어 있지 않으면(단계 S110에 있어서 아니오), 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)가 피측정물[스테이지(50)]을 Z방향으로 포커스 탐색 분해능만큼 이동하고(단계 S112), 단계 S106 이후의 처리가 다시 실행된다.
포커스 위치 탐색 범위 전체 범위에 대한 탐색이 완료되어 있으면(단계 S110에 있어서 예), 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 상술한 단계 S108에 있어서 저장된 포커스값 중에서 최대값을 추출하고, 당해 최대값에 대응하는 Z방향 위치를 결정한다(단계 S114). 이상의 단계 S104 내지 S114까지의 처리가 상술한 거친 조정에 상당한다.
다음에, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 단계 S114에 있어서 결정한 Z방향 위치를 중심으로 하는 포커스 탐색 분해능의 범위를 상세 탐색 범위로 결정한다(단계 S116). 그리고, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 피측정물[스테이지(50)]을 단계 S116에 있어서 결정한 상세 탐색 범위 내의 초기 위치로 이동한다(단계 S118). 그리고, 제어 장치(2)의 포커스 상태 판단부(2A)가 관찰용 카메 라(38)로부터의 영상 신호를 기초로 하여 포커스값을 산출하고(단계 S120), 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)가 산출된 포커스값을 당해 시점의 Z방향 위치와 대응시켜 저장한다(단계 S122).
그 후, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 상세 탐색 범위의 전체 범위에 대한 탐색이 완료되었는지 여부를 판단한다(단계 S124). 상세 탐색 범위의 전체 범위에 대한 탐색이 완료되어 있지 않으면(단계 S124에 있어서 아니오), 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)가 피측정물[스테이지(50)]을 Z방향으로 포커스 분해능만큼 이동하고(단계 S126), 단계 S120 이후의 처리가 다시 실행된다.
상세 탐색 범위의 전체 범위에 대한 탐색이 완료되어 있으면(단계 S124에 있어서 예), 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는, 상술한 단계 S122에 있어서 저장된 포커스값 중에서 최대값을 추출하고, 당해 최대값에 대응하는 Z방향 위치를 포커스 위치로 결정하고(단계 S128), 포커스 맞춤 처리를 종료한다. 이상의 단계 S116 내지 S128까지의 처리가 상술한 미세 조정에 상당한다.
이상과 같은 처리 순서에 의해, 포커스 위치가 결정된다.
(공간적 변곡점의 탐색 처리)
제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는, 상술한 포커스 맞춤 처리에 부가하여, 피측정물의 공간적인 변곡점을 탐색하는 처리를 행하도록 해도 좋다. 예를 들어, 피측정물이 렌즈 등의 볼록 형상의 반구면체인 경우 등에는, 정상점 이외의 경사면(측면)에 측정광을 조사하면 난반사 등에 의해 측정 오차가 증가하기 때문에, 정상점 부근에 측정광을 조사하는 것이 바람직하다. 그러나, 사용자 육안 확인에 의 한 정상점 탐색은 수고와 시간을 필요로 하기 때문에 자동화하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)에서는, 이하에 서술하는 (1) 내지 (3) 등의 방법을 이용하여 피측정물의 공간적 변곡점을 탐색한다.
(1) 좌표법
좌표법은 볼록 형상이나 오목 형상 등의 공간적인 변곡점을 1개만 갖는 피측정물(대표적으로, 렌즈 등)을 대상으로 하는 방법이다.
도11은 좌표법에 의한 공간적인 변곡점의 탐색 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도11을 참조하여, 위치 제어부(2B)가 볼록 형상의 피측정물(OBJ)의 정상점을 탐색하는 경우의 처리에 대해 설명한다. 우선, 위치 제어부(2B)는 스테이지(50) 상의 X방향을 따른 복수의 좌표의 각각에 있어서 상술한 포커스 맞춤 처리를 실행하고, 각 좌표에 있어서의 포커스 위치(Mz)를 취득한다. X방향에 있어서의 포커스 위치(Mz)의 취득 처리가 종료되면, 위치 제어부(2B)는 스테이지(50) 상의 Y방향을 따른 복수의 좌표의 각각에 있어서 상술한 포커스 맞춤 처리를 실행하고, 각 좌표에 있어서의 포커스 위치(Mz)를 취득한다.
그 후, 위치 제어부(2B)는 X방향에 있어서 포커스 위치(Mz)가 최대로 되는 좌표와 Y방향에 있어서 포커스 위치(Mz)가 최대로 되는 좌표를 추출한다. 그리고, 위치 제어부(2B)는 추출한 X방향에 있어서의 좌표와 Y방향에 있어서의 좌표의 교점을 피측정물(OBJ)의 정상점(즉, 공간적인 변곡점)으로 결정한다.
마찬가지로 하여, 오목 형상의 피측정물(OBJ)의 바닥점을 탐색하는 경우에 는, X방향 및 Y방향의 각각에 따른 복수의 좌표의 각각에 있어서 포커스 맞춤 처리를 행한 후, 위치 제어부(2B)는 X방향에 있어서 포커스 위치(Mz)가 최소로 되는 좌표와 Y방향에 있어서 포커스 위치(Mz)가 최소로 되는 좌표를 추출한다. 그리고, 위치 제어부(2B)는 추출한 X방향에 있어서의 좌표와 Y방향에 있어서의 좌표의 교점을 피측정물(OBJ)의 바닥점(즉, 공간적인 변곡점)으로 결정한다.
또한, 이와 같이 공간적인 변곡점이 탐색된 후, 위치 제어부(2B)는 당해 변곡점에 있어서의 광학 특성을 측정하기 위해, 공간적인 변곡점에 측정광 및 관찰광이 조사되도록 피측정물(OBJ)을 XY 평면 상을 따라 이동시킨 후, 포커스 맞춤 처리를 더 실행한다.
좌표법에 따르면, 피측정물이 볼록 형상이나 오목 형상을 갖고 있어야만 하나, 탐색 횟수(포커스 위치의 취득 처리의 횟수)가 적어도 공간적인 변곡점을 확실하게 탐색할 수 있다.
도12는 좌표법에 의한 공간적인 변곡점의 탐색 처리의 순서를 나타내는 흐름도이다.
도12를 참조하여, 우선 사용자 조작 등에 응답하여, 관찰용 광원(22)이 관찰광의 발생을 개시한다(단계 S200). 이 발생한 관찰광이 대물 렌즈(40)를 통해 피측정물에 입사되면, 피측정물에서 발생한 관찰 반사광이 핀홀 미러(32) 등을 통해 관찰용 카메라(38)에 입사된다. 관찰용 카메라(38)는 이 관찰 반사광을 수광하여, 당해 관찰 반사광에 따른 영상 신호를 제어 장치(2)로 출력 개시한다(단계 S202).
제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 공간적인 변곡점의 탐색 범위를 접수하 고(단계 S204), X방향 및 Y방향의 각각에 대해 포커스 맞춤 처리를 행하는 좌표군을 결정한다(단계 S206). 그리고, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 X방향 및 Y방향의 각 좌표에 있어서 순차 포커스 맞춤을 행한다.
제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 X방향을 따른 좌표 중 최초 좌표에 관측광이 조사되도록 피측정물[스테이지(50)]을 이동하고(단계 S208), 포커스 맞춤 처리를 행하여 포커스 위치(Mz)를 취득한다(단계 S210). 그리고, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 취득된 포커스값을 당해 좌표와 대응시켜 저장한다(단계 S212). 또한, 이때의 Y방향의 좌표는 임의로 설정하는 것이 가능하나, 기준의 Y방향의 좌표(예를 들어, Y방향을 따른 좌표 중 최초 좌표) 등으로 미리 이동해 두는 것이 바람직하다.
계속해서, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 피측정물[스테이지(50)]이 X방향을 따른 좌표 중 최후 좌표에 도달하고 있는지 여부를 판단한다(단계 S214). 피측정물[스테이지(50)]이 최후 좌표에 도달하고 있지 않으면(단계 S214에 있어서 아니오), 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 X방향의 다음 좌표로 관측광이 조사되도록 피측정물[스테이지(50)]을 이동하고(단계 S216), 단계 S210 이후의 처리가 다시 실행된다.
피측정물[스테이지(50)]이 최후 좌표에 도달하고 있으면(단계 S214에 있어서 예), 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 Y방향을 따른 좌표 중 최초 좌표로 관측광이 조사되도록 피측정물[스테이지(50)]을 이동하고(단계 S218), 포커스 맞춤 처리를 행하여 포커스 위치(Mz)를 취득한다(단계 S220). 그리고, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는, 취득된 포커스값을 당해 좌표와 대응시켜 저장한다(단계 S222). 또한, 이때 X방향의 좌표는 임의로 설정하는 것이 가능하나, 기준의 X방향의 좌표(예를 들어, X방향을 따른 좌표 중 최초 좌표) 등으로 미리 이동해 두는 것이 바람직하다.
그 후, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 피측정물[스테이지(50)]이 Y방향을 따른 좌표 중 최후 좌표에 도달하고 있는지 여부를 판단한다(단계 S224). 피측정물[스테이지(50)]이 최후 좌표에 도달하고 있지 않으면(단계 S224에 있어서 아니오), 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 Y방향의 다음 좌표에 관측광이 조사되도록 피측정물[스테이지(50)]을 이동하고(단계 S226), 단계 S220 이후의 처리가 다시 실행된다.
피측정물[스테이지(50)]이 최후 좌표에 도달하고 있으면(단계 S224에 있어서 예), 위치 제어부(2B)는 X방향에 있어서 포커스 위치(Mz)가 최대(또는 최소)로 되는 좌표와, Y방향에 있어서 포커스 위치(Mz)가 최대(또는 최소)로 되는 좌표를 추출한다(단계 S228). 그리고, 위치 제어부(2B)는 단계 S228에 있어서 추출한 X방향의 좌표와 Y방향의 좌표의 교점을 피측정물(OBJ)의 공간적인 변곡점으로 결정한다(단계 S230).
또한, 위치 제어부(2B)는 단계 S230에 있어서 결정한 공간적인 변곡점에 측정광 및 관찰광이 조사되도록 XY 평면을 따라 피측정물을 이동시키고(단계 S232), 또한 포커스 맞춤 처리를 행한다(단계 S234).
이상과 같은 처리 순서에 의해, 피측정물의 공간적인 변곡점이 탐색된다.
(2) 매트릭스법
매트릭스법은 변곡점을 포함하는 탐색 대상 영역을 미리 설정하고, 당해 탐색 대상 영역 내에서 소정 간격마다 포커스 위치(Mz)를 취득한 후에, 포커스 위치(Mz)에 대한 근사 함수를 산출한 후, 공간적인 변곡점을 결정하는 방법이다.
도13은 매트릭스법에 의한 공간적인 변곡점의 탐색 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도13을 참조하여, 우선 위치 제어부(2B)는 스테이지(50) 상의 XY 평면에 있어서의 탐색 범위(302)를 설정한다. 이 탐색 범위(302)는 사용자가 미리 설정해 두어도 좋다. 그리고, 위치 제어부(2B)는 탐색 범위(302) 내에 소정 간격으로 복수의 탐색점(304)을 설정한다. 즉, 위치 제어부(2B)는 탐색 범위(302)를 메쉬화하고, 각 메쉬점을 탐색점(304)으로 설정한다. 또한, 도13에는 m행×n열[(1, 1) 내지 (m, n)]의 탐색점(304)이 설정되어 있는 경우를 나타낸다.
그리고, 위치 제어부(2B)는 탐색점(304)의 각각에 있어서 상술한 포커스 맞춤 처리를 순차 실행하고, 각 탐색점(304)에 있어서의 포커스 위치(Mz)를 취득한다. 그 후, 위치 제어부(2B)는 각 탐색점(304)에 있어서의 포커스 위치(Mz)를 기초로 하여, 2차원 스플라인법 등을 이용하여 근사 함수를 산출한다. 즉, 좌표(x, y)에 있어서의 포커스 위치를 Mz(x, y)라 하면, 위치 제어부(2B)는 Mz(1, 1) 내지 Mz(m, n)에 대한 잔차(殘差)가 최소로 되도록 근사 함수 Fa(Mz : x, y)를 산출하고, 이 근사 함수 Fa(Mz : x, y)의 변수 x 및 변수 y에 대한 변곡점에 대응하는 좌표를 피측정물(OBJ)의 공간적인 변곡점으로서 결정한다.
상술한 바와 같이, 이와 같이 공간적인 변곡점이 탐색된 후, 위치 제어부(2B)는 당해 변곡점에 있어서의 광학 특성을 측정하기 위해 공간적인 변곡점에 측정광 및 관찰광이 조사되도록 피측정물(OBJ)을 XY 평면 상을 따라서 이동시킨 후, 포커스 맞춤 처리를 더 실행한다.
매트릭스법에 따르면, 비교적 탐색점이 많아지므로 시간을 필요로 하나, 피측정물(OBJ)에 포함되는 공간적인 변곡점의 수에는 제한이 없다. 즉, 피측정물(OBJ)에 복수의 공간적인 변곡점이 포함되어 있는 경우에도 탐색이 가능한다.
도14는 매트릭스법에 의한 공간적인 변곡점의 탐색 처리의 순서를 나타내는 흐름도이다.
도14를 참조하여, 우선 사용자 조작 등에 응답하여, 관찰용 광원(22)이 관찰광의 발생을 개시한다(단계 S300). 이 발생한 관찰광이 대물 렌즈(40)를 통해 피측정물에 입사되면, 피측정물에서 발생한 관찰 반사광이 핀홀 미러(32) 등을 통해 관찰용 카메라(38)에 입사된다. 관찰용 카메라(38)는 이 관찰 반사광을 수광하여, 당해 관찰 반사광에 따른 영상 신호를 제어 장치(2)로 출력 개시한다(단계 S302).
제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 XY 평면에 대해 탐색 범위를 접수하고(단계 S304), 탐색 범위에 대해 복수의 탐색점을 설정한다(단계 S306). 그리고, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 이하와 같이 각 탐색점에 있어서의 포커스 위치를 순차 취득한다.
제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 최초의 탐색점에 관측광이 조사되도록 피측정물[스테이지(50)]을 이동하고(단계 S308), 포커스 맞춤 처리를 행하여 포커스 위치(Mz)를 취득한다(단계 S310). 그리고, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 취득된 포커스값을 당해 탐색점의 좌표와 대응시켜 저장한다(단계 S312).
그 후, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 피측정물[스테이지(50)]의 현재 좌표가 최후 탐색점의 좌표인지 여부를 판단한다(단계 S314). 피측정물[스테이지(50)]의 현재 좌표가 최후 탐색점의 좌표가 아니면(단계 S314에 있어서 아니오), 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 다음 탐색점에 관측광이 조사되도록 피측정물[스테이지(50)]을 이동하고(단계 S316), 단계 S310 이후의 처리가 다시 실행된다.
피측정물[스테이지(50)]의 현재 좌표가 최후 탐색점의 좌표이면(단계 S314에 있어서 예), 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 취득한 복수의 포커스값과 대응하는 탐색점의 좌표를 기초로 하여 근사 함수를 산출한다(단계 S318). 그리고, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 산출한 근사 함수에 있어서의 변곡점을 산출하고(단계 S320), 산출한 변곡점에 대응하는 XY 평면 상의 좌표를 피측정물(OBJ)의 공간적인 변곡점으로서 결정한다(단계 S322).
또한, 제어 장치(2)의 위치 제어부(2B)는 단계 S322에 있어서 결정한 공간적인 변곡점에 측정광 및 관찰광이 조사되도록 XY 평면을 따라 피측정물을 이동시키고(단계 S324), 또한 포커스 맞춤 처리를 행한다(단계 S326).
이상과 같은 처리 순서에 의해, 피측정물의 공간적인 변곡점이 탐색된다.
(3) 수학적 탐색법
수학적 탐색법은 탐색 대상 영역 내의 미리 설정된 초기 좌표에 있어서의 포커스 위치(Mz)를 취득하고, 당해 초기 좌표로부터 수학적인 알고리즘에 따라서 변 곡점을 반복적으로 탐색하는 방법이다. 이 방법은 원칙적으로 탐색 대상 영역 내에 1개의 변곡점이 존재하는 경우에 적용되나, 비교적 탐색점의 수가 적어도 되기 때문에 공간적인 변곡점을 더욱 고속으로 탐색할 수 있다.
이와 같은 수학적 탐색법에서는 산출되는 포커스 위치 등을 기초로 하여 탐색 벡터가 산출되고, 이 탐색 벡터에 따라서 탐색점이 순차 결정된다. 이와 같은 탐색 벡터의 산출 방법으로서는 다양한 알고리즘이 제안되고 있으나, 대표적으로 이하의 3개의 알고리즘을 이용할 수 있다.
(ⅰ) 활강 심플렉스법(Downhill Simplex Method)
(ⅱ) 파웰법(Powell's Method)
(ⅲ) 공역 구배법(Conjugate Gradient Method)
이들 알고리즘의 상세에 대해서는「NUMERICAL RECIPES IN C : THE ART OF SCIENTIFIC CAMPUTING, Cambridge University Press. 1988-1992, pp408-425」등을 참조하고자 한다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 관찰광이 관찰 기준 이미지에 대응하도록 마스크되어 피측정물에 조사됨으로써, 피측정물에는 관찰 기준 이미지가 투사된다. 이 관찰광은 피측정물에서 반사하여 관찰 반사광을 발생하고, 이 관찰 반사광에는 관찰 기준 이미지에 대응하는 반사 이미지가 포함된다. 이 관찰 기준 이미지에 대응하는 반사 이미지에는 관찰 기준 이미지에 의해 농담차(콘트라스트차)가 발생하므로, 피측정물의 반사율에 관계없이, 피측정물에 있어서의 관찰광의 포커스 상태를 정확하게 판단할 수 있다.
한편, 측정광 및 관찰광은 공통의 집광 광학계를 통해 피측정물에 조사되므로, 피측정물에 있어서의 관찰광의 포커스 상태와 피측정물에 있어서의 측정광의 포커스 상태를 실질적으로 동일하게 간주할 수 있다.
따라서, 반사율이 상대적으로 낮은 피측정물이라도, 관찰 기준 이미지에 대응하는 반사 이미지를 포함하는 관찰 반사광을 기초로 하여 용이하게 포커스 맞춤을 행할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 피측정물 복수의 점에 있어서, 포커스값이 최대로 되는 포커스 위치를 취득하고, 이 취득한 포커스 위치를 기초로 하여 피측정물의 공간적인 변곡점을 탐색한다. 따라서, 렌즈 등의 볼록 형상을 갖는 피측정물의 정상점 등에 대해 측정광을 확실하게 조사할 수 있다. 이에 의해, 구면 형상의 피측정물 광학 특성을 더욱 정확하게 측정할 수 있다.
[제2 실시 형태]
상술한 본 발명 제1 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치에서는, 반사광(측정 반사광 및 관찰 반사광)의 전파 경로 상에 빔 스플리터(20)를 배치하여 관찰광을 주입하는 구성에 대해 설명했으나, 관찰광을 주입하는 위치는 측정용 광원(10)으로부터 집광 광학계인 대물 렌즈(40)까지의 광학 경로 상이면 어느 것이라도 좋다. 따라서, 본 발명 제2 실시 형태에서는 측정용 광원(10)으로부터 빔 스플리터(30)까지의 광학 경로 상에서 관찰광을 주입하는 구성에 대해 설명한다.
도15는 본 발명의 제2 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100B)의 개략 구성도이다.
도15를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100B)는, 도1에 도시하는 광학 특성 측정 장치(100A)에 있어서, 측정용 광원(10)으로부터 빔 스플리터(30)까지 광학 경로 상에 빔 스플리터(20)의 위치를 변경하고, 이 위치 변경에 수반하여 관찰용 광원(22)과, 광 섬유(24)와, 출사부(26)의 위치에 대해서도 변경한 것이다. 그 밖의 각부의 기능 및 구성은, 도1에 도시하는 광학 특성 측정 장치(100A)와 마찬가지이므로, 상세한 설명은 반복하지 않는다.
본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100B)에 따르면, 피측정물로부터의 반사광(측정 반사광 및 관찰 반사광)이 1개의 빔 스플리터(30)만을 통과한다. 빔 스플리터(30)는 대표적으로 하프 미러로 구성된다. 하프 미러의 이론적인 투과율은 그 명칭대로 50 ％이기 때문에, 하프 미러를 통과하기 전후에 그 광 강도는 반감(50 ％)해 버린다. 그로 인해, 반사광이 통과하는 빔 스플리터 수를 저감함으로써, 분광 측정부(60)에 입사되는 반사광의 감쇠량을 억제할 수 있다. 따라서, 분광 측정부(60)에서 검출되는 스펙트럼의 SN(Signal to Noise)비를 더욱 높은 상태로 유지할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따르면, 상술한 제1 실시 형태에 의해 얻어지는 효과에 부가하여, 측정 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명을 상세하게 설명하여 나타내 왔으나, 이것은 예시를 위한 것뿐으로 한정되지 않으며, 발명의 범위는 첨부한 청구 범위에 의해 해석되는 것이 명백하게 이해될 것이다.
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치의 개략 구성도.
도2는 피측정물에 관찰 기준 이미지를 투사하는 구성을 더욱 상세하게 설명하기 위한 도면.
도3은 관찰용 카메라에서 촬영되는 피측정물로부터의 관찰 이미지의 일례를 나타내는 도면.
도4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따르는 제어 장치의 기능 구성을 나타내는 블럭도.
도5는 관찰용 카메라로부터 출력되는 영상 신호의 데이터 구조를 도시하는 도면.
도6a 및 도6b는 휘도 데이터로부터 산출되는 히스토그램의 일례를 나타내는 도면.
도7은 볼록 형상의 구면을 갖는 피측정물을 측정하는 경우에 취득되는 관찰 이미지의 개념도.
도8은 대물 렌즈와 피측정물 사이의 거리 변화에 수반하는 포커스값의 변화 특성의 일례를 나타내는 도면.
도9는 포커스 위치의 탐색에 관한 처리를 설명하기 위한 도면.
도10은 본 발명의 제1 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치를 이용한 포커스 맞춤 처리의 순서를 나타내는 흐름도.
도11은 좌표법에 의한 공간적인 변곡점의 탐색 처리를 설명하기 위한 도면.
도12는 좌표법에 의한 공간적인 변곡점의 탐색 처리의 순서를 나타내는 흐름도.
도13은 매트릭스법에 의한 공간적인 변곡점 탐색 처리를 설명하기 위한 도면.
도14는 매트릭스법에 의한 공간적인 변곡점의 탐색 처리의 순서를 나타내는 흐름도.
도15는 본 발명의 제2 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치의 개략 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100A : 광학 특성 측정 장치
2 : 제어 장치
10 : 측정용 광원
14: 커트 필터
20, 30 : 빔 스플리터
22 : 관찰용 광원
32 : 핀홀 미러
38 : 관찰용 카메라
70 : 데이터 처리부

Claims (10)

  1. 피측정물에 대한 측정 범위의 파장을 포함하는 측정광을 발생하는 측정용 광원과,
    상기 피측정물에서 반사 가능한 파장을 포함하는 관찰광을 발생하는 관찰용 광원과,
    상기 측정광 및 상기 관찰광이 입사되고, 입사된 광을 집광하는 집광 광학계와,
    상기 집광 광학계와 상기 피측정물 사이의 위치 관계를 변경 가능한 조정 기구와,
    상기 측정용 광원으로부터 상기 집광 광학계까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서 상기 관찰광을 주입하는 광 주입부와,
    상기 피측정물에서 발생하는 반사광 중, 측정 반사광과 관찰 반사광을 분리하며, 상기 측정 반사광의 광축상에 핀홀이 설치된 반사면을 포함하는 광 분리부와,
    상기 관찰용 광원으로부터 상기 광 주입부까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서, 상기 관찰광의 상기 핀홀에 대응하는 영역의 외주측에 있는 부분을 마스크함으로써, 상이한 광 강도로 이루어진 패턴인 관찰 기준 이미지를 상기 피측정물에 투사하는 마스크부와,
    상기 관찰 반사광에 포함되는 상기 관찰 기준 이미지에 대응하는 반사 이미지를 기초로 하여, 상기 피측정물에 있어서의 상기 측정광의 포커스 상태를 판단하는 포커스 상태 판단부와,
    상기 포커스 상태의 판단 결과에 따라서 상기 조정 기구를 제어하는 위치 제어부를 구비하는, 광학 특성 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 관찰 반사광을 수광하여, 당해 관찰 반사광에 따른 영상 신호를 출력하는 촬상부를 더 구비하고,
    상기 포커스 상태 판단부는, 상기 촬상부로부터의 상기 영상 신호를 기초로 하여, 상기 포커스 상태를 나타내는 값을 출력하는 광학 특성 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 포커스 상태 판단부는, 상기 관찰 반사광에 따른 영상 신호 중 미리 설정된 영역에 상당하는 신호 성분을 기초로 하여, 상기 포커스 상태를 나타내는 값을 출력하는 광학 특성 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 조정 기구는 상기 측정광의 광축을 따라 상기 피측정물을 이동 가능하게 구성되고,
    상기 위치 제어부는, 상기 포커스 상태를 나타내는 값이 최대로 되도록, 상기 광축을 따라 상기 집광 광학계와 상기 피측정물 사이의 거리를 조정하는 광학 특성 측정 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 조정 기구는 또한 상기 측정광의 광축과 직교하는 평면을 따라 상기 피측정물을 이동 가능하게 구성되고,
    상기 위치 제어부는, 상기 평면 상의 복수의 좌표의 각각에 대해, 상기 포커스 상태를 나타내는 값이 최대로 되는 상기 피측정물의 상기 광축 방향의 위치를 각 좌표의 포커스 위치로서 취득하고, 취득한 복수의 상기 포커스 위치를 기초로 하여, 상기 피측정물의 공간적인 변곡점을 탐색하는 광학 특성 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 위치 제어부는, 상기 평면 상의 제1 방향을 따른 복수의 좌표에 대한 복수의 상기 포커스 위치를 각각 취득하는 동시에, 상기 평면 상의 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따른 복수의 좌표에 대한 복수의 상기 포커스 위치를 각각 취득하고, 또한 상기 제1 및 제2 방향 각각에 있어서 상기 포커스 위치가 최대값 및 최소값 중 한쪽으로 되는 좌표를 기초로 하여 상기 피측정물의 공간적인 변곡점을 결정하는 광학 특성 측정 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 위치 제어부는, 상기 공간적인 변곡점에 상기 측정광 및 상기 관찰광이 조사되도록 상기 피측정물을 상기 평면을 따라 이동시킨 후, 상기 포커스 상태를 나타내는 값이 최대로 되도록, 상기 광축을 따라 상기 집광 광학계와 상기 피측정물 사이의 거리를 더 조정하는 광학 특성 측정 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 촬상부는, 행렬 형상으로 배치된 복수의 화소의 각각에 대응하는 상기 관찰 반사광의 휘도 데이터를 상기 영상 신호로서 출력하고,
    상기 포커스 상태 판단부는, 각 화소에 대응하는 휘도 데이터의 히스토그램 을 기초로 하여 상기 포커스 상태를 나타내는 값을 출력하는 광학 특성 측정 장치.
  9. 광학 특성 측정 장치에 있어서의 포커스 조정 방법이며,
    상기 광학 특성 측정 장치는
    피측정물에 대한 측정 범위의 파장을 포함하는 측정광을 발생하는 측정용 광원과,
    상기 피측정물에서 반사 가능한 파장을 포함하는 관찰광을 발생하는 관찰용 광원과,
    상기 측정광 및 상기 관찰광이 입사되고, 입사된 광을 집광하는 집광 광학계와,
    상기 집광 광학계와 상기 피측정물 사이의 위치 관계를 변경 가능한 조정 기구와,
    상기 측정용 광원으로부터 상기 집광 광학계까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서 상기 관찰광을 주입하는 광 주입부와,
    상기 피측정물에서 발생하는 반사광 중, 측정 반사광과 관찰 반사광을 분리하며, 상기 측정 반사광의 광축상에 핀홀이 설치된 반사면을 포함하는 광 분리부와,
    상기 관찰용 광원으로부터 상기 광 주입부까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서, 상기 관찰광의 상기 핀홀에 대응하는 영역의 외주측에 있는 부분을 마스크함으로써, 상이한 광 강도로 이루어진 패턴인 관찰 기준 이미지를 상기 피측정물에 투사하는 마스크부와,
    상기 포커스 조정 방법은,
    상기 관찰용 광원으로부터 상기 관찰광의 발생을 개시하는 단계와,
    상기 관찰 반사광에 포함되는 상기 관찰 기준 이미지에 대응하는 반사 이미지를 기초로 하여, 상기 피측정물에 있어서의 상기 측정광의 포커스 상태를 판단하는 단계와,
    상기 포커스 상태의 판단 결과에 따라서 상기 조정 기구를 제어하는 단계를 구비하는 포커스 조정 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광학 특성 측정 장치는 상기 관찰 반사광을 수광하여, 당해 관찰 반사광에 따른 영상 신호를 출력하는 촬상부를 더 구비하고,
    상기 조정 기구는 상기 측정광의 광축을 따라 상기 피측정물을 이동 가능하게 구성되고,
    상기 포커스 상태를 판단하는 단계는, 상기 촬상부로부터의 상기 영상 신호를 기초로 하여, 상기 포커스 상태를 나타내는 값을 출력하는 단계를 포함하고,
    상기 조정 기구를 제어하는 단계는, 상기 포커스 상태를 나타내는 값이 최대로 되도록, 상기 광축을 따라 상기 집광 광학계와 상기 피측정물 사이의 거리를 조정하는 단계를 포함하는 포커스 조정 방법.
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