特開 2024-77358 照明受光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024077358

(43)【公開日】2024-06-07

(54)【発明の名称】照明受光装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/21 20060101AFI20240531BHJP

   G03B 11/00 20210101ALI20240531BHJP

   G03B 15/00 20210101ALI20240531BHJP

   G03B 15/02 20210101ALI20240531BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20240531BHJP

【ＦＩ】

G01N21/21 Z

G03B11/00

G03B15/00 T

G03B15/02 R

G03B15/02 S

G02B5/30

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022189415

(22)【出願日】2022-11-28

(71)【出願人】

【識別番号】596099446

【氏名又は名称】シーシーエス株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】513099603

【氏名又は名称】兵庫県公立大学法人

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100111453

【弁理士】

【氏名又は名称】櫻井 智

(72)【発明者】

【氏名】吉村 憲久

(72)【発明者】

【氏名】吉木 啓介

【テーマコード（参考）】

2G059

2H083

2H149

【Ｆターム（参考）】

2G059AA05

2G059EE02

2G059EE05

2G059FF01

2G059GG02

2G059JJ02

2G059JJ19

2G059JJ20

2G059JJ22

2G059KK01

2G059KK04

2G059LL04

2H083AA06

2H083AA26

2H083AA58

2H149AA22

2H149AB01

2H149BA01

2H149DA01

2H149DA05

2H149EA02

2H149FC10

(57)【要約】

【課題】本発明は受光素子でのＳＮ比を改善できる照明受光装置を提供する。
【解決手段】本発明の照明受光装置Ｄは、波長板ＷＰ、偏光選択光学素子ＰＳ、受光素子ＩＳ、光源ＬＳ、照明光学系Ｇｒ１１および撮像光学系Ｇｒ２１、Ｇｒ２２を備え、波長板ＷＰは、半波長の位相差を生じさせる１または複数の第１領域と、偏光を変化させる機能を有しない１または複数の第２領域とを持ち、波長板ＷＰにおける前記第１領域と前記第２領域とは、互いに同心円状に、かつ、前記第１領域における少なくとも１個の第１境界が前記第２領域の第２境界と共有されるように形成され、波長板ＷＰは、対象物ＷＫに対し、光源ＬＳを配置する第１位置側かつ受光素子ＩＳを配置する第２位置側に配置され、偏光選択光学素子ＰＳは、波長板ＷＰに対し、前記第１位置より前記第２位置側に配置され、前記照明光学系の第１光軸ＡＸ１と前記撮像光学系の第２光軸ＡＸ２とは互いに同軸である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半波長の位相差を生じさせる１または複数の第１領域と、偏光を変化させる機能を有しない１または複数の第２領域とを持つ波長板と、
特定方向の偏光成分を選択的に取り出して射出する偏光選択光学素子と、
所定の受光面で受光する受光素子と、
光を放射する光源と、
前記光源から放射された光を照明光にして所定の対象物に照明する照明光学系と、
前記対象物の光像を前記受光素子の前記受光面に結像する撮像光学系とを備え、
前記波長板における前記第１領域と前記第２領域とは、互いに同心円状に、かつ、前記第１領域における少なくとも１個の第１境界が前記第２領域の第２境界と共有されるように形成され、
前記波長板は、前記対象物に対し、前記光源を配置する第１位置側かつ前記受光素子を配置する第２位置側に配置され、
前記偏光選択光学素子は、前記波長板に対し、前記第１位置より前記第２位置側に配置され、
前記照明光学系の第１光軸と前記撮像光学系の第２光軸とは互いに同軸である、
照明受光装置。

【請求項2】

前記撮像光学系は、倍率が０．５倍以下である、
請求項１に記載の照明受光装置。

【請求項3】

前記撮像光学系は、前記波長板を配置する第３位置より前記対象物を配置する第４位置側に配置される第１光学系を含み、
前記第１光学系は、空気との境界である空気界面による反射光が前記撮像光学系の結像位置からずれる位置に結像する前記空気界面の曲率半径で形成された１または複数のレンズを備える、
請求項１または請求項２に記載の照明受光装置。

【請求項4】

前記第１光学系の前記空気界面は、２個である、
請求項３に記載の照明受光装置。

【請求項5】

前記撮像光学系は、前記第３位置より前記第２位置側に配置される第２光学系を含み、
前記撮像光学系は、前記第１および第２光学系によって、前記対象物の光像を前記受光素子の前記受光面に結像する、
請求項３に記載の照明受光装置。

【請求項6】

前記撮像光学系は、前記第３位置より前記第２位置側に配置される第２光学系を含み、
前記第２光学系は、焦点距離を可変する変倍光学系、または、予め用意された焦点距離の異なる複数の結像光学系のうちのいずれか１つである、
請求項３に記載の照明受光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、所定の対象物を照明し、その反射光を受光する照明受光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

所定の対象物を照明し、その反射光を受光する照明受光装置の一例として、例えば、特許文献１に開示された試料測定装置がある。この特許文献１に開示された試料測定装置は、光源と、当該光源から射出される光を受光する受光素子と、該受光素子よりも前記光源側に配置されており入射光のうち特定方向の偏光成分の光を選択的に取り出す光学素子とを有する試料測定装置であって、測定対象試料よりも前記光源側に配置されており前記光源から射出される光を透過または反射する特定偏光素子、および、測定対象試料よりも前記受光素子側に配置されており測定対象試料を透過または反射した光を透過または反射する特定偏光素子の両方を含む。前記特定偏光素子は、面内にｘ軸方向とこれに直交するｙ軸方向とを有し、面内の位置によってジョーンズ行列が異なっている透過型または反射型の偏光素子である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０２１／０３９９００号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

前記特定偏光素子は、例えば、ガラス板の間に液晶を挟み込んだ構造であるため、前記ガラス板および液晶によって反射が生じる。この特定偏光素子内部で生じる反射光は、偏光が変化しているため、受光素子の手前で取り除くことが困難であり、迷光（ノイズ）となって、前記受光素子でのＳＮ比を低下させてしまう。

【0005】

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、受光素子でのＳＮ比を改善できる照明受光装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる照明受光装置は、半波長の位相差を生じさせる１または複数の第１領域と、偏光を変化させる機能を有しない１または複数の第２領域とを持つ波長板と、特定方向の偏光成分を選択的に取り出して射出する偏光選択光学素子と、所定の受光面で受光する受光素子と、光を放射する光源と、前記光源から放射された光を照明光にして所定の対象物に照明する照明光学系と、前記対象物の光像を前記受光素子の前記受光面に結像する撮像光学系とを備え、前記波長板における前記第１領域と前記第２領域とは、互いに同心円状に、かつ、前記第１領域における少なくとも１個の第１境界が前記第２領域の第２境界と共有されるように形成され、前記波長板は、前記対象物に対し、前記光源を配置する第１位置側かつ前記受光素子を配置する第２位置側に配置され、前記偏光選択光学素子は、前記波長板に対し、前記第１位置より前記第２位置側に配置され、前記照明光学系の第１光軸と前記撮像光学系の第２光軸とは互いに同軸である。

【0007】

このような照明受光装置は、前記特定偏光素子を用いること無く前記特定偏光素子に代え、前記第１領域および前記第２領域を持つ波長板を用いるので、前記特定偏光素子内で生じる反射光を生じ得ないから、受光素子でのＳＮ比を改善できる。

【0008】

他の一態様では、上述の照明受光装置において、前記撮像光学系は、倍率が０．５倍以下である。

【0009】

このような照明受光装置は、倍率が０．５倍以下である撮像光学系を用いるので、受光素子でのＳＮ比を好適に改善できる。

【0010】

他の一態様では、これら上述の照明受光装置において、前記撮像光学系は、前記波長板を配置する第３位置より前記対象物を配置する第４位置側に配置される第１光学系を含み、前記第１光学系は、空気との境界である空気界面による反射光が前記撮像光学系の結像位置からずれる位置に結像する前記空気界面の曲率半径で形成された１または複数のレンズを備える。好ましくは、上述の照明受光装置において、前記第１光学系は、前記空気界面による反射光の虚像が前記対象物と前記第１光学系との間に位置する前記空気界面の曲率半径で形成された１または複数のレンズを備える。

【0011】

このような照明受光装置は、前記第１光学系が、前記空気界面による反射光が前記撮像光学系の結像位置からずれる位置に結像する前記空気界面の曲率半径で形成された１または複数のレンズを備えるので、前記反射光が前記受光素子の受光面に結像しないから、受光素子でのＳＮ比を改善できる。

【0012】

他の一態様では、上述の照明受光装置において、前記第１光学系の前記空気界面は、２個である。好ましくは、上述の照明受光装置において、前記第１光学系は、照明光の波長において、像側の空気界面による反射光の虚像が前記対象物と前記第１光学系と間に位置する前記像側の空気界面の曲率半径で形成された１枚のレンズ（貼合わせレンズを含む）を備える。

【0013】

このような照明受光装置は、前記第１光学系の前記空気界面を最低数にするので、前記空気界面による反射光を最低にでき、受光素子でのＳＮ比を改善できる。

【0014】

他の一態様では、上述の照明受光装置において、前記撮像光学系は、前記第３位置より前記第２位置側に配置される第２光学系を含み、前記撮像光学系は、前記第１および第２光学系によって、前記対象物の光像を前記受光素子の前記受光面に結像する。好ましくは、上述の照明受光装置において、前記第２光学系は、４個以上の空気界面を持つように、複数のレンズを備える。

【0015】

このような照明受光装置は、第１および第２光学系を備え、前記第１光学系で前記反射光を前記受光素子の受光面でぼかす一方、前記第１および第２光学系で前記対象物の光像を前記第１および第２光学系の収差を取り除きながら前記受光素子の受光面で結像するので、受光素子でのＳＮ比を改善できる。

【0016】

他の一態様では、上述の照明受光装置において、前記撮像光学系は、前記第３位置より前記第２位置側に配置される第２光学系を含み、前記第２光学系は、焦点距離を可変する変倍光学系、または、予め用意された焦点距離の異なる複数の結像光学系のうちのいずれか１つである。

【0017】

このような照明受光装置は、第１および第２光学系を備え、前記第２光学系で倍率を変えられるので、前記第１光学系で前記反射光を前記受光素子の受光面でぼかす作用効果を維持する一方、変倍して受光できる。

【発明の効果】

【0018】

本発明にかかる照明受光装置は、受光素子でのＳＮ比を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施形態における照明受光装置の構成を説明するための模式図である。

【図2】前記照明受光装置の波長板を説明するための図である。

【図3】前記照明受光装置の作用効果を説明するための図である。

【図4】比較例を説明するための図である。

【図5】前記照明受光装置の変形形態を説明するための図である。

【図6】一例として、前記照明受光装置の傾き計測装置への適用を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照して、本発明の１または複数の実施形態が説明される。しかしながら、発明の範囲は、開示された実施形態に限定されない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

【0021】

図１は、実施形態における照明受光装置の構成を説明するための模式図である。図１は、照明受光装置Ｄを、各光軸を含む平面で切断した断面図である。図２は、前記照明受光装置の波長板を説明するための図である。図２Ａは、前記波長板の正面図であり、図２Ｂは、前記波長板の作用効果を説明するための図である。図２Ｃは、前記波長板の変形形態を説明するための図である。

【0022】

実施形態における照明受光装置Ｄは、所定の対象物（ワーク）ＷＫを照明し、その反射光を受光する装置であり、例えば、図１に示すように、照明部ＩＬと、ビームスプリッタＢＳと、波長板ＷＰと、第１光学系Ｇｒ２１と、偏光選択光学素子ＰＳと、第２光学系Ｇｒ２２と、受光素子ＩＳとを備える。前記所定の対象物ＷＫは、任意であり、限定されない。

【0023】

照明部ＩＬは、所定の配置面に配置された所定の対象物ＷＫに照明光を照射する装置であり、例えば、光源ＬＳと、偏光子ＰＬと、バンドパスフィルタＢＰＦと、光学系Ｇｒ１１とを備える。

【0024】

光源ＬＳは、所定の電源から給電され、所定の光を放射する装置であり、例えば、ランダム偏光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）等を備えて構成される。

【0025】

偏光子ＰＬは、所定方向の偏光成分を選択的に取り出して射出光とする光学素子である。

【0026】

バンドパスフィルタＢＰＦは、入射光における所定の波長範囲の光を透過して射出光として射出し、前記入射光における前記波長範囲を除く光を遮光する光学素子である。前記波長範囲は、狭いほど好ましく、バンドパスフィルタＢＰＦからは、単色光が射出されることが好ましい。

【0027】

光学系Ｇｒ１１は、集光した光をビームスプリッタＢＳに入射させるものであり、例えば、２個の第１レンズＬ１１および第２レンズＬ１２を備えて構成される。第１レンズＬ１１は、入射光を平行光にして射出光として射出し、第２レンズＬ１２は、入射光を集光して射出光として射出する。

【0028】

ビームスプリッタＢＳは、照明光の波長において、入射光を所定の分割比で２つの光に分割して射出する光学素子である。ビームスプリッタＢＳは、いわゆるプレート型のものや薄膜状のものであってよいが、図１に示す例では、いわゆるキューブ型が用いられている。このキューブ型のビームスプリッタＢＳは、２個の直角プリズムを各傾斜面同士で貼り合わせて略立方体形状にしたもので、一方の直角プリズムの前記傾斜面には入射光を分割するための誘電多層膜が被覆（コート）されて形成されている。

【0029】

波長板ＷＰは、入射光と射出光との間で半波長λ／２の位相差を生じさせる１または複数の第１領域と、偏光を変化させる機能を有しない１または複数の第２領域とを持つ光学素子であって、前記第１領域と前記第２領域とは、互いに同心円状に、かつ、前記第１領域における少なくとも１個の第１境界が前記第２領域の第２境界と共有されるように形成されている。前記半波長λ／２の波長λは、前記バンドパスフィルタＢＰＦからの射出光の波長λであり、対象物ＷＫを照明する照明光の波長λでもある。

【0030】

例えば、図２Ａに示すように、波長板ＷＰは、所定の径を持つ円形状の、入射光と射出光との間で偏光を変化させない１個目の第２領域ＡＲ２－１と、前記第２領域ＡＲ２－１の外周を囲むように形成され、前記入射光と前記射出光との間で半波長λ／２の位相差を生じさせる環形状（リング状、ドーナツ状）の第１領域ＡＲ１と、前記第１領域ＡＲ１の外周を囲むように形成され、前記入射光と前記射出光との間で偏光を変化させない環形状（リング状、ドーナツ状）の２個目の第２領域ＡＲ２－２とを備える。第２領域ＡＲ２－１の外周の境界は、第１領域ＡＲ１の内周の境界と共有され、第１領域ＡＲ１の外周の境界は、第２領域ＡＲ２－２の内周の境界と共有されている。第１領域ＡＲ１は、径方向に所定の幅（第１幅）を持つ。第２領域ＡＲ２－２は、径方向に所定の幅（第２幅）を持つ。第１領域ＡＲ１の前記第１幅、第２領域ＡＲ２－１の前記径および第２領域ＡＲ２－２の前記第２幅は、この照明受光装置Ｄの仕様等に応じて適宜に設計される。これら第２領域ＡＲ２－１、ＡＲ２－２は、偏光を変化させる機能を有しない例えば接着剤やガラス等で適宜な材料で形成される。例えば、半波長λ／２の位相差フィルムが第１領域ＡＲ１として円環状に加工され、この内外に接着層が第２領域ＡＲ２－１、ＡＲ２－２として形成され、波長板ＷＰが作成される。この第２領域ＡＲ２－１は、空気で形成された空気層であってもよい。あるいは、例えば、半波長λ／２の位相差フィルムが第１領域ＡＲ１として円環状に加工され、これが円板状のガラス基板に貼り付けられ、波長板ＷＰが作成される。このような波長板ＷＰは、例えば、図２Ｂに示すように、Ｙ偏光成分の光が入射光として入射されると、第１領域ＡＲ１では、半波長λ／２の位相差が生じることによりＺ偏光成分の光が射出光として射出され、第２領域ＡＲ２－１では、前記位相差が生じること無くそのままＹ偏光成分の光が射出光として射出される。

【0031】

なお、図２Ａに示す例では、中央部分に第２領域ＡＲ２が形成され、その外周に第１領域ＡＲ１が形成された波長板ＷＰであったが、図２Ｃに示すように、中央部分に第１領域ＡＲ１が形成され、その外周に第２領域ＡＲ２が形成された波長板ＷＰａであってもよい。図２Ｃに示す波長板ＷＰａにおいて、図示しないが、第２領域ＡＲ２の外周に、さらに、２個目の第１領域が形成されてもよい。また、図２Ａに示す波長板ＷＰにおいて、図示しないが、第２領域ＡＲ２－２の外周に、さらに、２個目の第１領域が形成されてもよい。これら上述の例では、半波長λ／２の位相差を生じさせる第１領域ＡＲ１は、１または２個であるが、任意の個数であってよく、この照明受光装置Ｄの仕様等に応じて適宜に設計される。同様に、上述の例では、偏光を変化させない第２領域ＡＲ２は、１または２個であるが、任意の個数であってよく、この照明受光装置Ｄの仕様等に応じて適宜に設計される。

【0032】

第１光学系Ｇｒ２１は、入射光を、前記配置面に配置された対象物ＷＫに照射する対物レンズである。第１光学系Ｇｒ２１については、さらに、後述する。

【0033】

偏光選択光学素子ＰＳは、入射光から特定方向の偏光成分を選択的に取り出して射出光として射出する偏光子である。偏光選択光学素子ＰＳは、例えば、第２領域ＡＲ２を透過し、対象物ＷＫで反射し、第１領域ＡＲ１を透過して半波長λ／２の位相差が生じた偏光成分を選択的に取り出して射出光として射出する。より具体的には、偏光選択光学素子ＰＳは、Ｚ偏光成分のみを透過させ射出光として射出し、他の偏光成分を遮光する。

【0034】

受光素子ＩＳは、入射光を所定の受光面で受光し、光電変換することによって前記入射光に応じた電気信号を出力する装置であり、例えば、フォトダイオード、ＰＤＳ（位置検出センサ）、ラインセンサ、または、２次元イメージセンサ等を備えて構成される。受光素子ＩＳには、この照明受光装置Ｄの仕様等に応じて適宜な種類のセンサが用いられる。

【0035】

第２光学系Ｇｒ２２は、前記照明光で照明された前記対象物ＷＫの光像を第１光学系Ｇｒ２１とともに前記受光素子ＩＳの前記受光面に結像するための光学系であり、１または複数のレンズを備えて構成される。

【0036】

これら光源ＬＳ、光学系Ｇｒ１１の第１レンズＬ１１、偏光子ＰＬ、バンドパスフィルタＢＰＦおよび光学系Ｇｒ１１の第２レンズＬ１２は、これらの各光軸を光軸（第１光軸）ＡＸ１に合わせて第１光軸ＡＸ１に沿ってこの順で順次に配設される。バンドパスフィルタＢＰＦおよび光学系Ｇｒ１１は、照明光学系を構成し、第１光軸ＡＸ１は、この照明光学系の光軸（照明部ＩＬの光軸）である。光源ＬＳから放射された光は、光学系Ｇｒ１１の第１レンズＬ１１に入射され、第１レンズＬ１１で平行光となって第１レンズＬ１１から偏光子ＰＬに入射され、偏光子ＰＬで所定方向の偏光成分（本実施形態ではＹ偏光成分）となって偏光子ＰＬからバンドパスフィルタＢＰＦに入射され、バンドパスフィルタＢＰＦで所定の波長範囲の光となって光学系Ｇｒ１１の第２レンズＬ１２に入射され、第２レンズＬ１２で集光されて照明部ＩＬの照明光として光学系Ｇｒ１１の第２レンズＬ１２から射出される。

【0037】

なお、照明部ＩＬは、光源ＬＳおよび偏光子ＰＬに代え、所定方向の偏光成分を放射するレーザ光源を前記光源ＬＳとして備え、光源ＬＳと、バンドパスフィルタＢＰＦと、光学系Ｇｒ１１とを備えて構成されてもよい。

【0038】

これら光源ＬＳ、偏光子ＰＬ、バンドパスフィルタＢＰＦおよび光学系Ｇｒ１１を備える照明部ＩＬは、第１光軸ＡＸ１と、ビームスプリッタＢＳの前記傾斜面と４５°で交差するように、ビームスプリッタＢＳに対して配置される。ビームスプリッタＢＳの前記傾斜面における第１光軸ＡＸ１の交差点は、前記傾斜面の中央位置（例えば前記傾斜面が矩形である場合にその２対角線の交点位置）であることが好ましい。したがって、照明部ＩＬから射出された照明光は、その第１光軸ＡＸ１に沿って伝播（進行）し、ビームスプリッタＢＳに入射され、その前記傾斜面で伝播方向（進行方向）が９０°曲げられる。すなわち、光源ＬＳ、偏光子ＰＬ、バンドパスフィルタＢＰＦおよび光学系Ｇｒ１１における第１光軸ＡＸ１は、９０°曲げられる。前記照明光は、前記傾斜面で反射され、所定方向の偏光成分（Ｙ偏光成分）の照明光となって、前記傾斜面で９０°曲げられた第１光軸ＡＸ１に沿って伝播する。

【0039】

波長板ＷＰは、前記対象物ＷＫに対し、前記光源ＬＳを配置する第１位置側かつ前記受光素子ＩＳを配置する第２位置側に配置される。より具体的には、図１に示す例では、波長板ＷＰは、ビームスプリッタＢＳにおける前記傾斜面で反射した照明光（前記所定方向の偏光成分の照明光）を射出する射出側であって、第１光学系Ｇｒ２１の像側（前記受光素子ＩＳ側）である位置に配置される。ビームスプリッタＢＳから射出された前記所定方向の偏光成分の照明光は、波長板ＷＰに入射され、第１領域ＡＲ１では、半波長λ／２の位相差が生じて前記所定方向に直交する偏光成分（上述の例ではＺ偏光成分）となって射出され、第２領域ＡＲ２－１では、前記位相差が生じることなくそのまま前記所定方向の偏光成分（上述の例ではＹ偏光成分）で射出される。

【0040】

第１光学系Ｇｒ２１は、前記波長板ＷＰを配置する第３位置より前記対象物ＷＫを配置する第４位置側に配置される。波長板ＷＰから射出された各偏光成分の照明光は、第１光学系Ｇｒ２１に入射され、前記対象物ＷＫを照明する。前記対象物ＷＫの反射光（第１反射光）は、第１光学系Ｇｒ２１に入射され、第１光学系Ｇｒ２１を介して波長板ＷＰに入射され、第１領域ＡＲ１では、半波長λ／２の位相差が生じて射出され、第２領域ＡＲ２－１では、前記位相差が生じることなくそのまま射出される。このため、第１領域ＡＲ１に入射した照明光の第１反射光が第１領域ＡＲ１に入射されると、前記第１反射光は、前記第１領域ＡＲ１に入射した前記照明光の偏光成分と同じ偏光成分（上述の例ではＹ偏光成分）となって波長板ＷＰから射出される。第１領域ＡＲ１に入射した照明光の第１反射光が第２領域ＡＲ２－１に入射されると、前記第１反射光は、前記第１領域ＡＲ１に入射した前記照明光の偏光成分に直交する偏光成分（上述の例ではＺ偏光成分）となって波長板ＷＰから射出される。第２領域ＡＲ２－１に入射した照明光の第１反射光が第２領域ＡＲ２－１に入射されると、前記位相差が１回（１度）も生じないので、前記第１反射光は、前記第１領域ＡＲ１に入射した前記照明光の偏光成分と同じ偏光成分（上述の例ではＹ偏光成分）で波長板ＷＰから射出される。この波長板ＷＰを透過した照明光の第１反射光は、ビームスプリッタＢＳに入射し、所定の分割比で分割された透過成分のみ、射出される。

【0041】

偏光選択光学素子ＰＳは、前記波長板ＷＰに対し、前記光源ＬＳを配置する前記第１位置より前記受光素子ＩＳを配置する前記第２位置側に配置される。より具体的には、図１に示す例では、偏光選択光学素子ＰＳは、ビームスプリッタＢＳにおける前記傾斜面を透過した照明光の第１反射光を射出する射出側であって、第２光学系Ｇｒ２２の物体側（前記対象物ＷＫ側）である位置に配置される。ビームスプリッタＢＳから射出された第１反射光は、第２光学系Ｇｒ２２に入射され、第１および第２光学系Ｇｒ２１、Ｇｒ２２によって前記対象物ＷＫの光像（前記所定方向に直交する偏光成分の第１反射光で構成された前記対象物ＷＫの光像）が受光素子ＩＳの受光面に結像される。受光素子ＩＳは、光電変換し、前記受光面で受光した前記対象物ＷＫの光像に応じた電気信号を出力する。この受光素子ＩＳから出力された電気信号は、この電気信号を処理する適宜な装置（例えばコンピュータ等の情報処理装置等）へ出力される。

【0042】

本実施形態では、第１光学系Ｇｒ２１、波長板ＷＰ、ビームスプリッタＢＳ、偏光選択光学素子ＰＳ、第２光学系Ｇｒ２２および受光素子ＩＳは、これらの各光軸を光軸（第２光軸）ＡＸ２と合わせて第２光軸ＡＸ２に沿って物体側から像側へこの順に順次に配設される。第１光学系Ｇｒ２１および第２光学系Ｇｒ２２は、前記照明光で照明された前記対象物ＷＫの光像を結像する撮像光学系を構成し、第２光軸ＡＸ２は、この撮像光学系の光軸である。この撮像光学系と前記照明光学系とは、前記照明光学系の第１光軸ＡＸ１と前記撮像光学系の第２光軸ＡＸ２とがビームスプリッタＢＳの前記傾斜面で互いに直交するように、配置され、前記照明光学系の第１光軸ＡＸ１がビームスプリッタＢＳの前記傾斜面で９０°曲げられるから、前記照明光学系の第１光軸ＡＸ１と前記撮像光学系の第２光軸ＡＸ２とは互いに同軸である。ここで、光源ＬＳの第１位置は、前記照明光学系の第１光軸ＡＸ１と前記撮像光学系の第２光軸ＡＸ２とが交差する前記傾斜面上の位置とみなすことができる。

【0043】

ここで、本実施形態では、第１光学系Ｇｒ２１は、空気との境界である空気界面による反射光（第２反射光）が前記撮像光学系の結像位置からずれる位置に結像する前記空気界面の曲率半径（＝１／曲率）で形成された１または複数のレンズを備える。より具体的には、第１光学系Ｇｒ２１は、照明光の波長において、前記空気界面による第２反射光が前記撮像光学系の結像位置に結像する前記空気界面の曲率半径より小さい曲率半径で形成された１または複数のレンズを備える。より詳しくは、第１光学系Ｇｒ２１は、例えば図３に示すように、照明光の波長において、前記空気界面による第２反射光の虚像が前記対象物ＷＫと前記第１光学系Ｇｒ２１との間に位置する前記空気界面の曲率半径で形成された１または複数のレンズを備える。図３に示す例では、第１光学系Ｇｒ２１の前記空気界面は、２個である。言い換えれば、第１光学系Ｇｒ２１は、１枚のレンズを備えて構成されている。前記１枚のレンズには、図１に示すように、２個の第１および第２レンズＬ２１、Ｌ２２を互いに貼り合わせた貼合わせレンズが含まれる。

【0044】

図３は、前記照明受光装置の作用効果を説明するための図である。図４は、比較例を説明するための図である。

【0045】

図４に示す比較例の照明受光装置Ｄ’は、第１光学系Ｇｒ２１に代え、空気界面の曲率半径が比較的大きな１枚のレンズで構成された第１光学系Ｇｒ２１’を備える点を除き、上述の実施形態における照明受光装置Ｄの構成と同じ構成である。このような比較例の照明受光装置Ｄ’では、照明光の波長において、第１光学系Ｇｒ２１’の前記レンズにおける像側の空気界面ＳＦ２’による虚像が前記対象物ＷＫの外側（第１光学系Ｇｒ２１’から前記対象物ＷＫより離れる側）の位置Ｐ１’に形成され、受光素子ＩＳの受光面では、第１光学系Ｇｒ２１’と第２光学系Ｇｒ２２とで構成される撮像光学系の結像位置と、前記空気界面ＳＦ２’による第２反射光の結像位置とが近くなってしまう。このため、この比較例の照明受光装置Ｄ’では、前記空気界面ＳＦ２’による第２反射光の比較的明るい領域（ホットスポット）が受光素子ＩＳの受光面に生じてしまい、ノイズが生じてしまう。この結果、受光素子ＩＳでのＳＮ比が低下してしまう。

【0046】

一方、本実施形態における照明受光装置Ｄでは、第１光学系Ｇｒ２１は、照明光の波長において、前記空気界面による第２反射光の虚像が前記対象物ＷＫと前記第１光学系Ｇｒ２１との間に位置する前記空気界面の曲率半径で形成された１または複数のレンズで構成されている。図３に示す例では、第１光学系Ｇｒ２１は、照明光の波長において、像側の空気界面ＳＦ２による第２反射光の虚像が前記対象物ＷＫと前記第１光学系Ｇｒ２１との間に位置する前記像側の空気界面ＳＦ２の曲率半径で形成された１枚のレンズを備える。このような照明受光装置Ｄでは、照明光の波長において、第１光学系Ｇｒ２１の前記レンズにおける像側の空気界面ＳＦ２による虚像が前記対象物ＷＫと第１光学系Ｇｒ２１との間の位置Ｐ１に形成され、受光素子ＩＳの受光面では、前記空気界面ＳＦ２による第２反射光の結像位置は、受光素子ＩＳの受光面の外側（第１光学系Ｇｒ２１から受光素子ＩＳの受光面より離れる側）の位置Ｐ２となる。このため、実施形態における照明受光装置Ｄでは、前記空気界面ＳＦ２による第２反射光は、受光素子ＩＳの受光面で結像せずにぼやけ、前記ホットスポットが軽減される。この結果、受光素子ＩＳでのＳＮ比が改善できる。

【0047】

また、上述から分かるように、偏光選択光学素子ＰＳより物体側の光学系が前記ホットスポットの生成に大きく影響し、偏光選択光学素子ＰＳより像側の光学系は、前記ホットスポットの生成にほぼ影響しない。本実施形態では、第１光学系Ｇｒ２１が前記ホットスポットの生成に大きく影響し、第２光学系Ｇｒ２２は、前記ホットスポットの生成にほぼ影響しない。

【0048】

なお、本実施形態において、これらバンドパスフィルタＢＰＦおよび光学系Ｇｒ１１は、前記光源から放射された光を照明光にして所定の対象物に照明する照明光学系の一例に相当する。第１光学系Ｇｒ２１および第２光学系Ｇｒ２２は、前記対象物の光像を前記受光素子の前記受光面に結像する撮像光学系の一例に相当する。

【0049】

以上説明したように、本実施形態における照明受光装置Ｄは、前記特定偏光素子を用いること無く前記特定偏光素子に代え、前記第１領域ＡＲ１および前記第２領域ＡＲ２を持つ波長板ＷＰを用いるので、前記特定偏光素子内で生じる反射光を生じ得ないから、受光素子ＩＳでのＳＮ比を改善できる。

【0050】

上記照明受光装置Ｄは、第１光学系Ｇｒ２１が、前記空気界面による第２反射光が前記撮像光学系の結像位置からずれる位置に結像する前記空気界面の曲率半径で形成された１または複数のレンズを備えるので、前記第２反射光が受光素子ＩＳの受光面に結像しないから、受光素子ＩＳでのＳＮ比を改善できる。

【0051】

上記照明受光装置Ｄは、第１光学系Ｇｒ２１の前記空気界面が２個である場合には、前記第１光学系Ｇｒ２１の前記空気界面を最低数にするので、前記空気界面による第２反射光を最低にでき、受光素子ＩＳでのＳＮ比を改善できる。光学パワーが２個の前記空気界面に集約されるため、前記空気界面の曲率半径を小さくし易く、前記第２反射光の前記受光面でのぼけを大きくし易くなる。

【0052】

上記照明受光装置Ｄは、第１および第２光学系Ｇｒ２１、Ｇｒ２２を備え、前記第１光学系Ｇｒ２１で前記第２反射光を前記受光素子ＩＳの受光面でぼかす一方、前記第１および第２光学系Ｇｒ２１、Ｇｒ２２で前記対象物ＷＫの光像を前記第１および第２光学系Ｇｒ２１、Ｇｒ２２の収差を取り除きながら前記受光素子ＩＳの受光面で結像するので、受光素子ＩＳでのＳＮ比を改善できる。

【0053】

なお、上述の実施形態において、前記撮像光学系は、倍率が０．５倍以下であれば、より顕著な改善効果がある。例えば、倍率１倍で放射照度が１［Ｗ／ｍｍ^２］であり、対象物ＷＫが反射率１００［％］の完全散乱体であり、前記撮像光学系の実効Ｆナンバーが２．０（すなわち、開口数ＮＡ＝０．２５）である場合、前記撮像光学系で取り込めるエネルギーは、０．２５^２＝０．０６２５となり、前記対象物ＷＫの第１反射光（対象物ＷＫの光像）は、約６［％］しか受光素子ＩＳの受光面に到達しない。さらに、倍率が低倍率（例えば０．５倍）になると、倍率の２乗に比例して放射照度が低下するため、対象物ＷＫの第１反射光（対象物ＷＫの光像）は、約２［％］しか受光素子ＩＳの受光面に到達しない。第１光学系Ｇｒ２１や波長板ＷＰで生じる迷光が仮に１［％］であった場合、これは、前記約２［％］の半分に相当し、受光素子ＩＳでのＳＮ比が大幅に低下してしまう。そこを、上述の実施形態であれば、前記迷光成分を低減できるため、ＳＮ比を改善することができ、特に倍率が０．５倍以下であれば、より顕著な改善効果がある。

【0054】

また、上述の実施形態において、第２光学系Ｇｒ２２は、４個以上の空気界面を持つように、複数のレンズを備えることが好ましい。図５は、前記照明受光装置の変形形態を説明するための図である。例えば、図５に示すように、第２光学系Ｇｒ２２は、２個のレンズＬ２４、２５を備え、４個の空気界面を持つ。このような照明受光装置Ｄは、空気界面を多く持つので、収差補正等が実施し易くなり、分解能を向上し易くなる。したがって、照明受光装置Ｄの光学性能が向上できる。

【0055】

また、上述の実施形態において、第２光学系Ｇｒ２２は、焦点距離を可変する変倍光学系であってもよい。あるいは、第２光学系Ｇｒ２２は、予め用意された、焦点距離の異なる複数の結像光学系のうちのいずれか１つであってもよい。このような照明受光装置Ｄは、前記第２光学系Ｇｒ２２で倍率を変えられるので、前記第１光学系Ｇｒ２１で前記第２反射光を前記受光素子ＩＳの受光面でぼかす作用効果を維持する一方、変倍して受光できる。

【0056】

また、上述の実施形態における照明受光装置Ｄは、種々の適用が可能である。例えば、前記特許文献１に開示されているように、表面観察やバルク中の欠陥観察に適用できる。前記表面観察では、上記照明受光装置Ｄは、傾きやうねりの計測、欠陥やパーティクル等のコンタミ計測、マイクロパターニング等で形成された微小段差計測および粗さ計測等に適用できる。前記バルク中の欠陥観察では、上記照明受光装置Ｄは、ガラス中の気泡等の観察および歪み等による屈折率の不均一部分の検出等に適用できる。

【0057】

一例として、対象物ＷＫの傾きの計測について説明する。図６は、一例として、前記照明受光装置の傾き計測装置への適用を説明するための図である。図６には、偏光選択光学素子ＰＳ、ビームスプリッタＢＳ、波長板ＷＰ、第１光学系Ｇｒ２１および対象物ＷＫが図示され、残余の図示が省略されている。

【0058】

図６において、対象物ＷＫが平坦面の表裏面を持つ板状体である場合、実線で示すように、前記対象物ＷＫが前記配置面に水平に配置され、傾いていないと、Ｙ偏光成分の照明光、および、対象物ＷＫで反射した前記照明光の反射光は、偏光選択光学素子ＰＳを透過できないので、受光素子ＩＳに到達せず、受光素子ＩＳの受光面で受光されない。一方、破線で示すように、前記対象物ＷＫが傾くと、Ｙ偏光成分の照明光、および、対象物ＷＫで反射した前記照明光の反射光は、一部がＺ偏光成分となって偏光選択光学素子ＰＳを透過し、受光素子ＩＳに到達するので、受光素子ＩＳの受光面で受光される。例えば、照明部ＩＬから放射された照明光ＬＢ１は、ビームスプリッタＢＳで反射され、波長板ＷＰの第２領域ＡＲ２－１を透過し、第１光学系Ｇｒ２１を介して、傾いた対象物ＷＫに入射されて反射される。この照明光ＬＢ１の第１反射光は、第１光学系Ｇｒ２１を介して、波長板ＷＰの第１領域ＡＲ１に入射され、半波長λ／２の位相差が生じてＺ偏光成分となって波長板ＷＰからビームスプリッタＢＳに入射される。このＺ偏光成分の第１反射光は、ビームスプリッタＢＳを透過して偏光選択光学素子ＰＳに入射され、偏光選択光学素子ＰＳがＺ偏光成分を透過するように設定されているため、これを透過して、第２光学系Ｇｒ２２を介して受光素子ＩＳの受光面に到達する。例えば、照明部ＩＬから放射された照明光ＬＢ２は、ビームスプリッタＢＳで反射され、波長板ＷＰの第１領域ＡＲ１に入射され、半波長λ／２の位相差が生じてＺ偏光成分となって波長板ＷＰから、第１光学系Ｇｒ２１を介して、傾いた対象物ＷＫに入射されて反射される。この照明光ＬＢ２の第１反射光は、第１光学系Ｇｒ２１を介して、波長板ＷＰの第２領域ＡＲ２－１に入射され、波長板ＷＰからビームスプリッタＢＳに入射される。このＺ偏光成分の第１反射光は、ビームスプリッタＢＳを透過して偏光選択光学素子ＳＰに入射され、これを透過して、第２光学系Ｇｒ２２を介して受光素子ＩＳの受光面に到達する。このように対象物ＷＫが傾くと、第１反射光の一部のＺ偏光成分が受光素子ＩＳの受光面に到達し、受光素子ＩＳから前記Ｚ偏光成分に応じた電気信号が出力される。この電気信号を前記情報処理装置等で検出することで対象物ＷＫの傾きが検知できる。前記電気信号の大きさと傾き角度とを予め対応付けることで、対象物ＷＫの傾き角度が計測できる。

【0059】

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

【符号の説明】

【0060】

Ｄ；照明受光装置、ＷＫ；対象物、ＩＬ；照明部、ＬＳ；光源、ＰＬ；偏光子、ＢＰＦ；バンドパスフィルタ、Ｇｒ１１；光学系、ＡＸ１；照明光学系の第１光軸、ＢＳ；ビームスプリッタ、ＷＰ；波長板、ＡＲ１；第１領域、ＡＲ２－１ ＡＲ２－２；第２領域、Ｇｒ２１；第１光学系、Ｇｒ２２；第２光学系、ＰＳ；偏光選択光学素子、ＩＳ；受光素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2024-05-13

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半波長の位相差を生じさせる１または複数の第１領域と、偏光を変化させる機能を有しない１または複数の第２領域とを持つ波長板と、
特定方向の偏光成分を選択的に取り出して射出する偏光選択光学素子と、
所定の受光面で受光する受光素子と、
光を放射する光源と、
前記光源から放射された光を照明光にして所定の対象物に照明する照明光学系と、
前記対象物の光像を前記受光素子の前記受光面に結像する撮像光学系とを備え、
前記波長板における前記第１領域と前記第２領域とは、互いに同心円状に、かつ、前記第１領域における少なくとも１個の第１境界が前記第２領域の第２境界と共有されるように形成され、
前記波長板は、前記対象物に対し、前記光源を配置する第１位置側かつ前記受光素子を配置する第２位置側に配置され、
前記偏光選択光学素子は、前記波長板に対し、前記第１位置より前記第２位置側に配置され、
前記照明光学系の第１光軸と前記撮像光学系の第２光軸とは互いに同軸であり、
前記撮像光学系は、前記波長板を配置する第３位置より前記対象物を配置する第４位置側に配置される第１光学系と、前記第３位置より前記第２位置側に配置される第２光学系とから成り、
前記撮像光学系は、前記第１および第２光学系によって、前記対象物の光像を前記受光素子の前記受光面に結像し、
前記第１光学系は、前記照明光の波長において、空気との境界である空気界面による反射光の虚像が前記対象物と前記第１光学系との間に位置する前記空気界面の曲率半径で形成された１または複数のレンズを備える、
照明受光装置。

【請求項2】

前記撮像光学系は、倍率が０．５倍以下である、
請求項１に記載の照明受光装置。

【請求項3】

前記第１光学系の前記空気界面は、２個である、
請求項１に記載の照明受光装置。

【請求項4】

前記第２光学系は、焦点距離を可変する変倍光学系、または、予め用意された焦点距離の異なる複数の結像光学系のうちのいずれか１つである、
請求項１に記載の照明受光装置。