(57)【要約】  照明系にフライアイインテグレータを用い、フライアイインテグレータが以下の（１）式を満足するようにする。Φ×φ／ｆ＞Ｍ×ＤＬ×ＮＡＬ  …（１）ただし、Φは、フライアイインテグレータの射出端面に内接する円の直径、φはフライアイインテグレータを構成する各レンズエレメントの端面に内接する円の直径、ｆはフライアイインテグレータを構成する各レンズエレメントの焦点距離、Ｍは結像光学系のズーム変倍比、ＤＬは結像光学系のズーム低倍側に必要な視野直径、ＮＡＬは結像光学系のズーム低倍側に必要な開口数である。これにより、ズームの低倍から高倍においてＮＡの不足、および視野のムラを防止することができる画像測定機を提供することができる。
2008062651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物体側より順に、対物レンズとズーム光学系とを有してなる結像光学系と、光源側より順に、光源とフライアイインテグレータとを有してなり、前記対物レンズを介して前記被検物体を照明する照明光学系とを備え、かつ、前記フライアイインテグレータが以下の（１）式を満足することを特徴とする画像測定機。
Φ×φ／ｆ＞Ｍ×ＤＬ×ＮＡＬ  …（１）
ただし、
Φ：フライアイインテグレータの射出端面に内接する円の直径
φ：フライアイインテグレータを構成する各レンズエレメントの端面に内接する円の直径
ｆ：フライアイインテグレータを構成する各レンズエレメントの焦点距離
Ｍ：結像光学系のズーム変倍比
ＤＬ：結像光学系のズーム低倍側に必要な視野直径
ＮＡＬ：結像光学系のズーム低倍側に必要な開口数
である。
【請求項２】
請求項１に記載の画像測定機であって、前記フライアイインテグレータがさらに次の（２）式及び（３）式を満足することを特徴とする画像測定機。
φ／ｆ＞ＤＬ ／Ｆ  …  （２）
φ＜ＮＡＬ ×Ｆ  …  （３）
ただし、
Ｆ：対物レンズの焦点距離
である。
【請求項３】
請求項１に記載の画像測定機であって、照明手段のフライアイインテグレータの後に照明リレーレンズを備えることを特徴とする画像測定機。
【請求項４】
請求項３に記載の画像測定機であって、前記フライアイインテグレータがさらに次の（２’）式及び（３’）式を満足することを特徴とする画像測定機。
φ／（ｆ×Ｂ）＞ＤＬ ／Ｆ  …（２’）
φ×Ｂ＜ＮＡＬ ×Ｆ  …（３’）
ただし、
Ｆ：対物レンズの焦点距離
Ｂ：リレーレンズの倍率
である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械部品や半導体チップ等の被検物の寸法を測定する光学式の画像測定機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物であるワークの形状寸法を測定する測定装置として、測定顕微鏡や画像測定機が広く普及している。これらの装置では、水平方向に移動可能なステージ上に載せた被検査物を、光学系を介して撮像装置に拡大投影し、その投影像を光電変換した画像信号を利用して被検査物の表面の形状、欠陥等の検査や座標、寸法等の測定する。このような装置の例が特開平１１-１８３１２４号公報（特許文献１）に記載されている。【０００３】
通常これらの装置は照明系として透過照明と落射照明を備えているが、機械部品等の不透明物体を測定する際には専ら落射照明が用いられる。落射照明はハロゲンランプ、コレクタレンズ、集光レンズ等から構成され、対物レンズを通して物体をテレセントリックに照明する。【０００４】
一方結像光学系は対物レンズ、結像レンズを備え、被検物の像を撮像装置に結像する。被検物のサイズに応じて倍率を変倍できるズーム光学系をもつ装置も知られている。
【特許文献１】特開平１１-１８３１２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記ズーム光学系を備える装置の場合、照明はズーム低倍側の広視野と高倍側の高ＮＡを両立する照明光を必要としている。しかしながら、従来の落射照明系では高倍側のＮＡが不足したり、低倍側の視野周辺が暗くなってしまうという問題があった。また近年ＬＥＤが普及しはじめたことで、照明光学系の光源にＬＥＤを採用することが増えてきた。ＬＥＤはハロゲンランプに比べて省電力、一定の色温度、速い応答性など様々なメリットがあるが、発光領域がハロゲンランプに比べて小さいため、より上記の問題が顕在化してしまうというデメリットがある。【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ズーム光学系を備える画像測定機であって、ＬＥＤのような小面積の光源を使用した落射照明を用いながら、ズームの低倍から高倍においてＮＡの不足、および視野のムラを防止することができる画像測定機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための第１の手段は、被検物体側より順に、対物レンズとズーム光学系とを有してなる結像光学系と、光源側より順に、光源とフライアイインテグレータとを有してなり、前記対物レンズを介して前記被検物体を照明する照明光学系とを備え、かつ、前記フライアイインテグレータが以下の（１）式を満足することを特徴とする画像測定機である。【０００８】
Φ×φ／ｆ＞Ｍ×ＤＬ×ＮＡＬ  …（１）
ただし、Φ：フライアイインテグレータの射出端面に内接する円の直径
φ：フライアイインテグレータを構成する各レンズエレメントの端面に内接する円の直径
ｆ：フライアイインテグレータを構成する各レンズエレメントの焦点距離
Ｍ：結像光学系のズーム変倍比
ＤＬ：結像光学系のズーム低倍側に必要な視野直径
ＮＡＬ：結像光学系のズーム低倍側に必要な開口数
である。【０００９】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記フライアイインテグレータがさらに次の（２）式及び（３）式を満足することを特徴とするものである。【００１０】
φ／ｆ＞ＤＬ ／Ｆ  …  （２）
φ＜ＮＡＬ ×Ｆ  …  （３）
ただし、
Ｆ：対物レンズの焦点距離
である。【００１１】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、請求項１に記載の画像測定機であって、照明手段のフライアイインテグレータの後に照明リレーレンズを備えることを特徴とするものである。【００１２】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第３の手段であって、前記フライアイインテグレータがさらに次の（２’）式及び（３’）式を満足することを特徴とするものである。【００１３】
φ／（ｆ×Ｂ）＞ＤＬ ／Ｆ  …（２’）
φ×Ｂ＜ＮＡＬ ×Ｆ  …（３’）
ただし、
Ｆ：対物レンズの焦点距離
Ｂ：リレーレンズの倍率
である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ズーム光学系を備える画像測定機であって、ＬＥＤのような小面積の光源を使用した落射照明を用いながら、ズームの低倍から高倍においてＮＡの不足、および視野のムラを防止することができる画像測定機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態である画像測定機を模式的に示す図である。
【図２】従来の照明光学系を示す図である。
【図３】フライアイインテグレータの模式図である。
【図４】フライアイの開口数と照明領域の関係を示す図である。
【図５】フライアイの間隔の制限を説明するための図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態である画像測定機の模式図である。
【符号の説明】
【００１６】
１…ＬＥＤ光源、２…コレクタレンズ、３…フライアイインテグレータ、４…拡散板、５…折り返しミラー、６…偏光板、７…偏光ビームスプリッタ、８…減光フィルタ、９…対物レンズ、１０…１／４波長板、１１…被検物、１２…ズーム光学系、１３…検光子、１４…結像レンズ、１５…ＣＣＤ、１６…レーザーダイオード、１７…投光レンズ、１８…受光レンズ、１９…２分割センサー、２０…開口絞り、２１…光源、２２…集光レンズ、２３…レンズ要素、２４…照明リレーレンズ、２５…視野絞り
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である画像測定機を模式的に示す図である。ＬＥＤ１から出射した光はコレクタレンズ２を通ってコリメートされ、フライアイインテグレータ３に入射する。フライアイインテグレータ３はテレセントリック照明を行うために対物レンズ９の焦点位置に配置される。【００１８】
フライアイインテグレータ３を出射した光束は拡散板４を通って折り返しミラー５により光路を変えられ、偏光板６を通り、偏光ビームスプリッタ７のコートで反射して結像光学系内に導かれる。その際開口絞り２０により余分な光束は制限される。その後対物レンズ９、１／４波長板１０を通り被検物１１を照明する。【００１９】
被検物１１からの回折光は１／４波長板１０、対物レンズ９を通り、偏光ビームスプリッタ７のコートを透過してズーム光学系１２に入射する。ズーム光学系１２は被検物１１のサイズに応じて光学系の結像倍率を変更する機能を有する。その後検光子１３を通り、結像レンズ１４によりＣＣＤ１５上に被検物の像を結像する。偏光板６、偏光ビームスプリッタ７、減光フィルタ８、１／４波長板１０、検光子１３は、プリズム、対物レンズ等の表面反射に由来するノイズを低減するために配置されている。以下にその機能を説明する。【００２０】
偏光板６は紙面に垂直方向の直線偏光が透過できる向きに配置されており、検光子１３は紙面に平行方向の直線偏光が透過できる向きに配置されている。偏光板６を透過した光は紙面に垂直方向の直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ７で反射される。わずかに透過する成分は減光フィルタ８に吸収される。プリズム、対物レンズの表面反射光は紙面に垂直方向の直線偏光であるため大部分が偏光ビームスプリッタ７を直進できない。一部直進するもれ成分は検光子１３を透過できず、結局表面反射光はＣＣＤ１５に到達できない。【００２１】
一方１／４波長板１０を透過した照明光は被検物を照明し、被検物からの回折光は再び１／４波長板を通ることになる。２度１／４波長板１０を通った光は紙面に垂直方向の直線偏光が９０度回転され、紙面に平行方向の直線偏光となる。そのため被検物１１からの光は偏光ビームスプリッタ７、検光子１３を透過しＣＣＤ１５に到達できる。なお検光子１３透過後の光は直線偏光となるためＣＣＤ１５としてカラーの３ＣＣＤカメラを使用するような場合は、直線偏光の悪影響を避けるため、検光子の後に図示しない１／４波長板を配置し、直線偏光を円偏光に変えておくことが望ましい。【００２２】
また光学系はオートフォーカス系を備えている。レーザーダイオード１６から出射した光は投光レンズ１７により被検物上へ集光される。被検物で反射された光は受光レンズ１８を通り２分割センサー１９上に結像する。被検物の位置が上下にずれるとセンサー上の像が左右にぶれることを用いてオートフォーカスを行う。なお本実施例では斜入射方式のオートフォーカスを用いているが、対物レンズ９の開口数が比較的大きい場合には、対物レンズ９を通過した光を瞳上で半分隠すナイフエッジ方式のオートフォーカスを用いることもできる。【００２３】
本発明のズーム低倍側において必要な視野直径をＤＬ，開口数をＮＡＬとし、またズームの変倍比をＭとおく。このときズーム高倍側に必要な視野直径ＤＨは以下のようになる。
ＤＨ〜ＤＬ／Ｍ【００２４】
又、ズーム高倍側に必要なＮＡＨは、ズーム光学系中に非線形に移動する光学要素があるので、光線の蹴られが起こらないようにするためには、経験的に以下のようになる。
ＮＡＨ〜ＮＡＬ×Ｍ／２  …（４）【００２５】
例えば、本願発明に係るズーム光学系の設計例として、
(1) Ｍ＝１０、ＮＡＬ＝0.027、ＮＡＨ＝0.11、
(2) Ｍ＝7、ＮＡＬ＝0.024、ＮＡＨ＝0.08
のものを有しているが、（４）式の右辺にて計算した高倍率のＮＡは、(1)の場合には0.135、(2)の場合には0.084となり、（４）の近似式がほぼ成立していることが分かる。【００２６】
図２に従来の照明光学系を示す。従来はコレクタレンズ２に集光レンズ２２を組み合わせて照明系を構成していた。この構成でズームの低倍から高倍にわたってＮＡの不足および視野ムラを防止するために光源２１が満たすべき条件は、発光サイズをＡ、光源の開口数をＮＡＳとして次式のようになる。
Ａ×ＮＡＳ＞ＤＬ×ＮＡＨ
これに（４）式を代入して
Ａ×ＮＡＳ＞Ｍ×ＤＬ×ＮＡＬ／２  …（５）【００２７】
しかし変倍比の大きなズーム光学系では（５）式の右辺が大きくなってしまい、（５）式を満たす光源を見つけることは困難である。また光源としてハロゲンランプに比べ省電力、一定の色温度、速い応答性など様々なメリットを持つＬＥＤを採用することを考えると、一般にＬＥＤは発光サイズＡがハロゲンランプに比べて小さいため、さらに（５）式を満たすことが困難になる
例として、ズームの変倍比が１０倍、低倍のＮＡが0.027，低倍の視野直径が１７ｍｍの光学系を考え、ここに光源として発光サイズが１．５ｍｍ□、光量が５５％に落ちる開口数が0.77のＬＥＤを用いる場合を考える。（５）式に代入すると、右辺は約２．３、左辺は、光量が５５パーセントまで落ちるところまで光を用いた場合でも約１．２となる。よって（５）式は全く満足できず、ズームの低倍側で視野周辺が暗くなったり、高倍側でＮＡが不足するといった不具合が生じる。【００２８】
ここで、本発明の特徴部であるフライアイインテグレータ３を用いる場合を考える。フライアイインテグレータ３の模式図を図３に示す。フライアイインテグレータ３は多数のレンズ要素（レンズエレメント）２３から構成されている。図３ではレンズ要素が六角形のフライアイインテグレータを示しているが、要素が四角形や円であっても構わない。フライアイインテグレータの内接円の直径をΦ、構成するレンズ要素の内接円の直径をφ、焦点距離をｆとおく。【００２９】
フライアイインテグレータに平行に入射した光束は各レンズ要素により集光され、各要素の出射端面に光源像を形成する。これにより光源サイズがΦの擬似光源ができたことになる。この擬似光源から出射する光の開口数はＮＡＦＩ＝φ／２ｆとなる。これを（５）式に適用すると、Ａ＝Φ、ＮＡＳ＝ＮＡＦＩ＝φ／２ｆであるから、フライアイインテグレータが満たさなければならない条件は（１）式のようになる。
Φ×φ／ｆ＞Ｍ×ＤＬ×ＮＡＬ  …  （１）【００３０】
よって、Φ、φを大きくし、ｆを小さくすることで（１）式の左辺を大きくすることが可能となる。ただしこの場合、擬似光源の全面が光るわけではなく、各素子の中心付近にある光源像のみが光っていることになるが、実用上問題はない。すなわち擬似光源では発光点がとびとびになっている。なお用意したフライアイインテグレータのΦが大きすぎる場合には、全面に光を当てる必要はなく、フライアイインテグレータの一部のみを使用することで（１）式の左辺を見かけ上小さくすることができる。この時メカ的な制限からフライアイインテグレータを偏心して配置することも可能である。【００３１】
フライアイインテグレータを用いる場合（１）式を満たすものを選択することが最低限必要であるが、本実施の形態のようにフライアイの出射光が直接対物レンズに入射する場合には、効率のよい照明をするために（１）式を満たすだけでは不十分である。以下でこのことについて説明する。【００３２】
フライアイを出射する光の開口数が照野に変換されるため、この照野がズーム低倍側の視野直径ＤＬを満たしていなければ、低倍の視野周辺が暗くなってしまう。図４において、Ａを各フライアイ（レンズエレメント）の射出点、ＮＡＦＩ＝sinα、Ｆを対物レンズ９の焦点距離とすると、図４に示す関係より、
ＮＡＦＩ×Ｆ  ＞  ＤＬ／２
なる関係が必要である。これにＮＡＦＩ＝φ／２ｆを代入すると
φ／ｆ＞ＤＬ／Ｆ  …（２）
となる。【００３３】
またズーム低倍側では必要な開口数ＮＡＬが小さいため、フライアイインテグレータ端面の擬似光源において使用される領域が小さくなり、各素子の重ね合わせ効果が弱くなってしまう。ムラを低減するためには少なくとも中心とその外側１重分の素子を重ね合わせる必要がある。これを図５に示すと、一つのフライアイ（レンズエレメント）の射出点Ａから射出する光と、そのとなりのフライアイ（レンズエレメント）の射出点Ｂから射出する光が照射面において重なり合うためには、図５において、ＮＡＬ＝sinβであるから、図５に示す関係より、以下の（３）式を満たすことが必要である。
φ＜ＮＡＬ×Ｆ  …  （３）【００３４】
なおこの条件を満たしていても、ズーム低倍側ではフライアイインテグレータの重ね合わせ効果が弱いため、デフォーカスさせた際にボケ方が不自然になってしまう。この問題を解決するために拡散板４が必要となる。【００３５】
例として、ズームの変倍比が１０倍、低倍のＮＡが0.027、低倍の視野直径が１７ｍｍ、対物レンズの焦点距離が９０ｍｍの光学系を考え、ここに素子サイズ４０ｍｍ、各要素のサイズ２ｍｍ、各要素の焦点距離７ｍｍのフライアイインテグレータを組み合わせることを考える。（１）式、（２）式、（３）式に代入した結果を表１に示す。
【表１】
2008062651.tif 000003
【００３６】
この結果は、全ての条件を満たしており、上記のフライアイインテグレータを用いることで、ズームの低倍から高倍においてＮＡの不足、および視野のムラを防止した光学系を構成することができる。【００３７】
図６は、本発明の第２の実施の形態である画像測定機の模式図である。図６において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付してある。図６に示す実施の形態は、図１に示す実施の形態とは、フライアイインテグレータ３の後に照明リレーレンズ２４と視野絞り２５が配置されているところのみなので、同じ部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明を行う。【００３８】
図１に示す第1の実施の形態では視野絞りが配置できなかったため、照野が必要以上に大きくなり迷光の原因となったり、照野の形状がフライアイインテグレータを構成する各要素の端面形状になってしまうという問題があった。本実施の形態ではリレーレンズ２４を用いることで、被検物１１と共役な点を形成できるので、この点に視野絞り２５を配置でき、上記の問題点を解決することが可能となる。なおリレーレンズを用いると倍率がかかるため、リレーの倍率をＢとすれば、
ＮＡＦＩ→ＮＡＦＩ／Ｂ、すなわち、φ／（２×ｆ）→φ／（２×ｆ×Ｂ）
φ→φ×Ｂ
となり、
（２）式、（３）式の条件はリレーの倍率をＢとして以下のように変更される。
φ／（ｆ・Ｂ）＞ＤＬ／Ｆ  …  （２’）
φ×Ｂ＜ＮＡＬ×Ｆ  ×  （３’）【００３９】
この式はあるフライアイインテグレータが（２）式、（３）式を満たしておらず、第１の実施の形態の光学系に使用できない場合でも縮小倍率のリレーレンズを用いることで第２の実施の形態として使用できる可能性があることを示している。すなわち第２の実施の形態はフライアイインテグレータの使用の幅を広げる効果をも併せ持っている。【００４０】
例として、ズームの変倍比が１０倍、低倍のＮＡが0.027、低倍の視野直径が１７ｍｍ、対物レンズの焦点距離が９０ｍｍの光学系を考え、ここに素子サイズ４５ｍｍ、各要素のサイズ３ｍｍ、各要素の焦点距離２０ｍｍのフライアイインテグレータを組み合わせることを考える。（１）式、（２）式、（３）式に代入した結果を表２に示す。
【表２】
2008062651.tif 000004
【００４１】
結果、（２）式、（３）式を満足しておらず、このフライアイインテグレータを第1の実施の形態の画像測定機に用いるとＮＡの不足、視野周辺光量の低下といった問題が発生する。そこで、第２の実施の形態を採用し、倍率0.7倍の照明リレーレンズを併用することを考えると、（１）式、（２’）式、（３’）式に代入して表３のようになる。
【表３】
2008062651.tif 000005
【００４２】
この結果、全ての条件を満足しており、このフライアイインテグレータと照明リレーレンズを用いることで、ズームの低倍から高倍においてＮＡの不足、および視野のムラを防止した光学系を構成することができる。つまり第1の実施の形態の画像測定機では使用できないフライアイインテグレータでも第２の実施の形態の画像測定機の構成をとることで使用できることになり、フライアイインテグレータの使用の幅を広げることが可能である。
【図１】
2008062651.tif 000006
【図２】
2008062651.tif 000007
【図３】
2008062651.tif 000008
【図４】
2008062651.tif 000009
【図５】
2008062651.tif 000010
【図６】
2008062651.tif 000011
【国際調査報告】
2008062651.tif 000012
2008062651.tif 000013