专利名称：光学元件制造方法、光学元件、尼普科夫盘、共焦光学系统以及三维测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可以用作确保反射噪声衰减量的掩模等的光学元件、在制造该光学元件中可采用的制造方法、代表该光学元件应用例子的尼普科夫盘以及共聚焦光学系统和具有该尼普科夫盘的三维测量装置。
背景技术：
在相关领域已经提出使用具有以径向螺旋形式形成在遮光件(例如，铬薄膜)上的许多针孔的尼普科夫盘，该遮光件形成在共聚焦显微镜中的盘状玻璃基质的一侧上。在这种共聚焦显微镜中，照明光源通过旋转该尼普科夫盘被扫描在被检查的样品上。在相关领域采用一种已知的技术(见专利参考文件1)，以便通过相对于光轴倾斜地设置该尼普科夫盘防止在尼普科夫盘的表面上反射的光进入检测器。
专利参考文献1USP No.4,927,254发明内容当今的共聚焦显微镜需要包括照明光学系统和测量光学系统，这些系统使宽视场能够以高分辨率立即被扫描。在这样的共聚焦显微镜中，增加物镜的数值孔径NA并且等于或接近物镜的孔径NA的NA在尼普科夫盘的针孔位置实现。因此当尼普科夫盘相对于光轴倾斜地设置时就会出现问题，正如在专利参考文献中所公开的，在已经透射通过尼普科夫盘来自样品的光中发生彗差和像散，这将降低在显微镜中获得的图像的质量并且最终降低测量精度。
根据本发明的光学元件制造方法包括设置遮光层，该遮光层包括在用作基底件的基质上的作为最上层的至少一个Si层，在遮光层上形成光学孔径并且通过干法蚀刻在最上层的表面上形成微小的凹进/凸起结构。
希望该Si层通过薄膜汽相沉积形成并且特别希望通过等离子体CVD(化学汽相沉积)形成该Si层。
该微小的凹进/凸起结构可以用下述方法形成用由微细颗粒构成掩膜材料覆盖该最上层，该掩膜材料的蚀刻率低于Si的蚀刻率，并且用干法蚀刻该最上层表面，该最上层表面具有沉积在该最上层表面上用作掩膜的微细颗粒。
可选地，该微小的凹进/凸起结构可以这样形成在其上形成遮光层的基质周围沉积蚀刻率低于Si的蚀刻率的掩膜材料，干法蚀刻该掩膜材料以便用构成该掩膜材料的微小颗粒覆盖该最上层的表面并且干法蚀刻该遮光层的最上层。
希望该掩膜材料包含Al2O3、SiO2，或Al2O3或SiO2的反应产物。此外，该掩膜材料可以构成支撑该基质的至少部分支撑基底。
还有，希望用(a)包含下面至少一其中种气体的蚀刻气体进行干法蚀刻四氯甲烷、四氯乙烯、三氯乙烯、五氯乙烯、三氯化硼和氯气，必要时用诸如氧气、氩气的辅助气体添加在其中，或(b)由以下气体构成的混合蚀刻气体含氯气体，该含氯气体包含下面至少一种气体四氯甲烷、四氯乙烯、三氯乙烯、五氯乙烯、三氯化硼和氯气；以及含氟气体，该含氟气体包含下面至少一种气体四氟甲烷、三氟甲烷、六氟乙烯、八氟丙烷、氟气等，必要时用诸如氧气、氩气的辅助气体混合在其中。此外希望通过至少或者RIE(反应离子蚀刻)或ICP(感应耦合等离子体)蚀刻进行干法蚀刻。
根据本发明的光学元件包括用作基底件的基质和形成在该基质上并包括通过干法蚀刻形成的微小凹进/凸起结构的遮光层。
希望该遮光层包括作为最上层的至少Si层并且该微小凹进/凸起结构形成在该Si层上。而且该遮光层可以包括光学孔径，通过该光学孔径露出该基质。
根据本发明的尼普科夫扫描般包括用作基底件的基质，形成在该基质上的遮光层，该遮光层包括作为其最上层的Si层，该Si层包括通过干法蚀刻形成的微小的凹进/凸起结构和形成在该遮光层的多个光学孔径，通过该光学孔径露出该基质。
根据本发明的共聚焦系统包括根据权利要求13的尼普科夫盘，作为用于扫描合焦位置的扫描装置。
根据本发明的三维测量装置包括根据权利要求13的尼普科夫盘，支撑测量物体的载物台和设置在该尼普科夫盘和该载物台之间的物镜光学系统。
根据本发明的光学元件，具有通过干法蚀刻形成在遮光层的微小凹进/凸起结构，该遮光层形成在基质上，该光学元件实现高遮光效果。此外，通过在遮光层上形成光学孔径获得的在尼普科夫盘上的反射程度大大降低。还有，通过使用尼普科夫盘，能够提供获得高精确度的共聚焦光学系统和三维测量装置。
图1示出在第一实施例中实现的尼普科夫盘的结构的俯视图；图2是在图1的尼普科夫盘采用的结构的剖视图；图3是制造图2的尼普科夫盘的步骤，如图3中的(a)-(c)所示；
图4是在防反射层制造装置中采用的结构，其结合在图3(a)所示步骤期间的操作中；图5是利用图4的装置形成防反射层的步骤，如图5中的(a)-(c)所示；图6是在第二实施例中实现的尼普科夫盘采用的结构的剖视图；图7是制造图6的尼普科夫盘的步骤，如图7中的(a)-(c)所示；图8示出具有如图1所示的具有尼普科夫盘的共聚焦光学系统和三维测量装置中采用的结构的示意图；图9是微小的凹进/凸起结构形成在其上的Si薄膜的反射比特性。
具体实施例方式
下面是参考附图给出的本发明实施例的说明。
第一实施例图1是在根据本发明的光学元件的第一实施例中实现的尼普科夫盘的俯视图。如图清楚地所示，该尼普科夫盘10是一种遮光板，其总的轮廓形成盘形。该尼普科夫盘10可以安装在，例如，共聚焦显微镜中。尽管没有示出，但是具有均匀直径的许多非常小的针孔沿着多个径向螺旋轨线10a以预定的间隔形成在该尼普科夫盘10上。虽然针孔沿其形成的四个轨线10a设置在该图给出的例子中，但是诸如轨线10a的数量和轨线的倾斜角的技术要求必要时可以调节以满足给定应用的特殊要求。此外，不用沿着径向螺旋轨线10a形成的针孔，可以用以预定的图形设置在两个尺寸阵列中的针孔组。
图2是示出图1中的尼普科夫盘10从其侧面截取的剖面的构思示意图。该尼普科夫盘10包括透明的盘状玻璃基质12和由形成在该玻璃基质12上的薄薄膜构成的遮光层14。由石英玻璃构成的该玻璃基质12的两个表面12a和12b抛光成光学表面。具有许多光学孔径的14a，的该遮光层14用Si薄膜构成，贯通该遮光层14的每个光学孔径以最佳间隔形成在该遮光层14上。应当注意，虽然石英之外的其他材料可以用于构成玻璃基质12，但是玻璃基质12应当确保良好的透射率和低膨胀系数。
该光学孔径14a是称作针孔的圆形孔，它相对于共聚焦显微镜的物镜设置在与测量物体上或测量物体内的观察点的位置共轭的位置。在该实施例中光学孔径14a的直径通常设置成大约10微米，而在现有技术中，例如，其直径通常设置微50微米。应当注意，诸如图2所示的光学孔径14a以相等的间隔沿着图1的轨线10a设置。
微小的凹进/凸起(不均匀或不规则性)结构MR通过随机处理该薄Si薄膜的表面形成在该遮光层14的的最上层表面上。通过用RIE(反应离子蚀刻)、ICP(感应耦合等离子体)蚀刻等干法蚀刻该遮光层14的表面形成的这种微小的凹进/凸起结构MR由横向宽度等于或小于可见光波长，例如几纳米到几百纳米，的许多微小凸起构成。应当注意，虽然在这个实施例中遮光层14本身的整个厚度为3000-7000埃()。但是必要时遮光层的厚度可以相应于诸如入射光亮度和波长的技术条件进行调节。
进入尼普科夫盘10的光学孔径14a中的光束L1经由表面12a进入该透明玻璃基质12，并经由相对的表面12b离开该玻璃基质12。虽然确切的机制尚未清楚，但是进入该光学孔径14a周围的微小的凹进/凸起结构MR的大多数光束L2被假定通过该微小的凹进/凸起结构MR，以在该遮光层14被吸收。例如，如果Si被看作介电材料，则该微小的凹进/凸起结构MR可以被认为是从显微镜角度的防反射(或减反射)层，而如果Si被看作半金属材料，则该微小的凹进/凸起结构MR可以被认为吸收性的散射层。
进入起防反射(或减反射)层作用的该微小的凹进/凸起结构MR的中光束L2经由该微小的凹进/凸起结构MR进一步前进到遮光层14，并且在该遮光层14内侧变成被吸收的。当该微小的凹进/凸起结构MR的厚度或结构元件小于该光束L2的波长时，该微小的凹进/凸起结构MR可以被看作是在遮光层14上的折射率连续变化的区域，从空气的折射率向Si的折射率变化，并且在该微小的凹进/凸起结构MR和下一层之间的界面上不发生反射或散射。为此，从外面进入该遮光层14的光束L2可以假定经由该微小的凹进/凸起结构MR进入该遮光层14而没有任何损失。应当注意虽然构成该遮光层14的薄Si薄膜允许红外光一定程度的透射，但是它的吸收波段覆盖可见光的范围，因此，薄Si薄膜高效地吸收可见光束。
另一方面，当微小的凹进/凸起结构MR起吸收性散射层的作用时，由于非金属特性，对于进入该微小的凹进/凸起结构MR的光束L2，该微小的凹进/凸起结构MR起缓冲层的作用，因此可以假定该光束L2能够进一步向里面前进或成为散射的。结果由于金属光泽不发生规则的反射，并且真正散射的光的量非常少。因此，由于在光学孔径14a周围的区域等处通过规则反射引起的光反向，在该实施例中实现的尼普科夫盘10上不发生。这最终使它能够防止不希望的散逸光发生。还应当注意，如果SiO2薄膜例如通过自然氧化形成在该微小的凹进/凸起结构MR的表面上，则类似于以上后一种情况的现象被假定为显然导致了反射减少。
图9给出代表形成在Si薄膜上厚度为2.5微米的微小凹进/凸起结构MR上呈现的反射比特性的测量值的曲线，水平轴表示波长。该测量是在190纳米-800纳米的全部波长范围内进行的，在波长为630纳米或以下的反射比等于或小于0.2％。应当注意，正如早先关于微小凹进/凸起结构MR的讨论所指出的，遮光层14可以用除Si之外的材料，例如半金属材料构成，只要该材料在可见光范围具有比较高的吸收量。
图3(a)-3(c)示出制造图1和图2所示的尼普科夫盘时可以采用的制造方法。
如图3(a)所示，通过研磨和抛光盘状的石英玻璃件制备透明的玻璃基质，然后薄Si薄膜14P均匀地形成在该玻璃基质12的表面12a上。该薄Si薄膜14P通过采用薄膜沉积法形成，诸如PVD(物理汽相沉积)，例如溅射薄膜成形，或CVD(化学汽相沉积)，例如等离子体CVD。通过溅射薄膜成形，Si沉积在该玻璃基质12的表面12a上，该玻璃基质12的表面12a设置成以便面向通过在真空装置内溅射Si薄片形成的相对的Si圆晶。通过这种溅射薄膜成形，一种具有均匀厚度的非透明的薄Si薄膜14P能够形成在该玻璃基质12上。虽然构成薄Si薄膜14P的Si通常被假定为是非晶体形式，但是Si的结晶特性通过低温退火等可以增强。此外，通过等离子体CVD形成的非晶体的SI薄膜显示出关于应力(可靠接触、稳定性)的优越的特性、薄膜厚度的均匀性和遮光性。
更具体地说，该制造过程在直径为100毫米的玻璃基质12上进行，在该玻璃基质12上厚度为5000埃的Si薄膜14P通过溅射形成。
接着，许多光学孔径14a以预定的阵列图形形成在该玻璃基质12上的薄Si薄膜14P上，如图3(b)所示。当形成光学孔径14a时，具有形成在对应于形成该光学孔径14a的位置的开口的光刻胶图形被形成在该薄Si薄膜14P上。然后，贯穿该薄Si薄膜14P的每个光学孔径14a这样形成利用该光刻胶图形作为掩膜，通过诸如RIE(反应离子蚀刻)的各向异性的干法蚀刻，然后该光刻胶掩膜被除去以露出该薄Si薄膜14P。
在实际制造过程中，该光刻胶首先施加在该薄Si薄膜14P上，并且利用具有其直径为7微米的图形圆的光掩膜，通过在光刻胶上进行接触暴光和定影形成光刻胶图形。然后，将其上形成有光刻胶图形的玻璃基质12送进RIE干法蚀刻设备中，该薄Si薄膜14P在对应于该光刻胶开口的位置用包含有ChF3和SF6的混合气体进行干法蚀刻，直到该玻璃基质12变成被暴露，因此形成光学孔径14a。该蚀刻方法在下述蚀刻条件下进行真空度设置为，例如，1Pa，RIE功率设置为600瓦，而蚀刻时间设置为15分钟。随后，保持在该RIE干法蚀刻设备内的剩余的气体被抽真空，并且保持在该薄Si薄膜14P的表面上的光刻胶通过利用氧气蚀刻而除去。这种蚀刻方法在下述蚀刻条件下进行真空度设置为例如20Pa，RIE功率设置为600瓦，而蚀刻时间设置为5分钟。
最后，在该薄Si薄膜14P上进行随后详细说明的特殊的干法蚀刻，以在该薄Si薄膜14P的表面上形成该微小的凹进/凸起结构MR，因此，完成遮光层14的成形，如图3(c)所示。
图4是示出在防反射层制造装置中采用的结构的构思示意图，该装置可以用在图2所示的尼普科夫盘10等的制造中。采用类似于RIE设备的基本结构的防反射层制造装置30包括连接于地的阳极电极31，阴极电极32，对该阴极电极施加高频电能用于使反应气体产生等离子体，电极31、32放置在其中的真空室34。阴极电极32连接于产生特定高频电压的AC电压源36，该高高频电压用于从反应气体产生用于形成该微小的凹进/凸起结构的等离子体所需要的。
真空室34的电势设置成等于地电势，该电势是阳极电极31的电势。真空室34内的压力经由真空泵38维持在最佳真空度。反应气源39是从其将该反应气体供给该真空室34的气源。通过以特定的流率将反应气体供给该真空室34，在真空室34内的该反应气体的浓度可以设置成所需要的量。从反应气源39供给的反应气体可以是包含下述至少其中一种气体的蚀刻气体四氯甲烷(CCl4)、四氯乙烯、三氯乙烯、五氯乙烯、三氯化硼和氯气，必要时用诸如氧气或氩气的辅助气体施加在其中。可选地，该反应气体可以是由以下物质构成的混合蚀刻气体含氯气体，该含氯气体包含下述至少一种气体四氯甲烷、四氯乙烯、三氯乙烯、五氯乙烯、三氯化硼和氯气；以及含氟气体，该含氟气体包含下面至少一种气体四氟甲烷、三氟甲烷、六氟乙烯、八氟丙烷和氟气，必要时用诸如氧气或氩气的辅助气体施加在其中。
用铝制成的盘状的浅碟41放置在阴极电极32上，要制造成尼普科夫盘10的光学件OW设置在该浅碟41上。该浅碟41对光学件OW起支撑基底的作用，并且正如在后面说明的，还起具有低蚀刻率掩膜材料的作用。在处理开始之前该光学件OW的状态对应于图3(b)所示的状态，其中薄Si薄膜14P形成在玻璃基质12上。当在等离子体中形成的离子在该电极31和32之间被加速进入该薄Si薄膜14P时，设置在该浅碟41上的该光学件OW的薄Si薄膜14P的上表面被蚀刻。
在正常蚀刻过程期间，该薄Si薄膜14P的上表面用特定的各向异性沿着垂直于该两个电极31和32的上表面的方向被均匀地蚀刻。根据本发明，由于光学件OW放置在其上的浅碟41变成溅射的并且用反应气体的离子蚀刻，来自由铝(Al2O3)构成的该浅碟41的非常小的溅射颗粒被随机地沉积在该光学件OW的表面上。如果使用由诸如CCl4的蚀刻气体构成的反应气体，由于Si的溅射率高于铝的溅射率，随机地沉积在该光学件OW的表面上的溅射颗粒SP形成并起掩膜的作用。结果，由于溅射颗粒SP存在的区域和没有溅射颗粒存在的区域之间的蚀刻速率的不同，随机的凸起形成在该光学件OW的整个表面上。
在图4所示的设备中，浅碟41由溅射材料的铝构成，因此，该浅碟41既能够用于支撑该光学件OW的支撑基底，又能够用于产生溅射颗粒SP以起掩膜作用的溅射材料。结果，能够提供具有简化结构的光学元件制造设备，以实现设备成本的减少。
图5(a)-5(c)示出用图4中的设备得到的微小的凹进/凸起结构MR的形成构思。应当注意图5(a)示出在该微小的凹进/凸起结构MR形成的初始阶段，图5(b)示出该微小的凹进/凸起结构MR形成的中间阶段，而图5(c)示出该微小的凹进/凸起结构MR形成的最终阶段。
在图5(a)所示的初始阶段，浅碟41的表面和光学件OW的表面被溅射并被蚀刻，因此，无数的溅射颗粒SP，即来自该浅碟41非常微小的铝颗粒向着由Si构成的该光学件OW移动并且随机地沉积在该光学件OW的表面上。应当作注意虽然该图示出均匀分布的溅射颗粒SP，但是溅射颗粒实际上以不规则分布的形式随机地沉积。
在图5(b)所示的中间阶段，已经沉积在该光学件OW的表面上的溅射颗粒SP起掩膜的作用，因此，用来自该反应气体的离子GI实现的各向异性蚀刻方法在不出现溅射颗粒SP的区域进行，在对应于该溅射颗粒SP的位置形成无数的锥形凸起CP。应当注意的是，由于存在于该光学件OW的表面的溅射颗粒SP也被离子IG蚀刻，虽然蚀刻速率低于光学件OW的蚀刻速率，因此该凸起CP的末端也逐渐被暴露。但是由于另一个溅射颗粒SP往往很容易沉积在每个凸起CP的末端，从整体上来说结果是该凸起CP逐渐增长。
在图5(c)所示的最终阶段，增长到纳米量级的尺寸的该凸起CP随机地并且稠密地存在于该光学件OW的上层。形成如上所述的许多凸起CP的该上层构成该微小的凹进/凸起结构MR，该微小的凹进/凸起结构MR如前所述在显微镜的意义上起防反射(减反射)层等的作用。
在该方法的实际执行中，图3(c)所示的步骤用由混合气体构成的反应气体通过干法蚀刻该薄Si薄膜14P来执行，该混合气体包含四氯乙烯、三氟甲烷和氧气，其中四氟乙烯的流率设置为10sccm，三氟甲烷的流率设置为5scm，而氧的流率设置为5sccm，同时保持真空室内的压力为2Pa。该RIE功率设置为800瓦，蚀刻时间设置为5分钟。结构得到的微小凹进/凸起结构MR的显微观察表明，形成在基质12上的薄Si薄膜14P已经完全变黑，并且形成非常微小的针状凸起以构成在该薄Si薄膜14P的表面上的微小凹进/凸起结构MR。如上所述方法制造的尼普科夫盘10的反射比测量表明，整个可见光的反射比等于或小于0.1％，而整个可见光范围的透射率等于或小于0.1％。换句话说，由于在现有技术中用包括遮光层的尼普科夫盘实现的反射比为1-5％，该遮光层由用铬或氧化铬形成的多层薄膜构成，通过采用本实施例实现的反射比的减少倍数至少为0.1倍。
第二实施例下面说明在第二实施例中实现的尼普科夫盘。第二实施例中实现的尼普科夫盘是第一实施例的变型，在对第二实施例中实现的尼普科夫盘的描述中，同样的附图标记赋予同样的零部件，以便不需要对其重复解释。此外，任何没有特别提到的部件与第一实施例中的相应部件是相同的。
图6是原则性地示出在第二实施例中实现的尼普科夫盘的剖视图。尼普科夫盘110包括玻璃基质12和遮光层114。该遮光层114包括由铬(Cr)或氧化铬(Cr2O3)构成的基础层114a和由薄Si薄膜构成的主层114b，该薄Si薄膜包括许多以最佳间隔形成的光学孔径14a，每个孔径通过该层114a和114b。
通过随机处理该Si层的表面，微小凹进/凸起结构MR形成在该主层114b的表面，其是该遮光层114的最上层表面。通过干法蚀刻(例如，RIE)该主层114b的表面，即该遮光层114的顶层，形成的该微小凹进/凸起结构MR，包括许多其宽度在数纳米到数百纳米范围之间的非常小的凸起。进入该光学孔径14a周围的微小凹进/凸起结构MR的光束几乎全部通过该微小凹进/凸起结构MR，在该主层114b中成为被吸收的，甚至已经透射过该主层114b的光束几乎完全被吸收并且在该基础层114a反射。
图7(a)-7(c)示出当制造图6中所示尼普科夫盘时可以采用的制造方法。首先制备玻璃基质12，包含铬或氧化铬的含铬层114C均匀地形成在该玻璃基质12的表面12a上，并且然后薄Si薄膜114P均匀地形成在该含铬层上，如图7(a)所示。该含铬层114C和薄Si薄膜114P可以通过例如溅射薄膜成形形成。
接着，实现预定阵列图形的光学孔径14a形成在玻璃基质12上的含铬层114C和薄Si薄膜114P上。首先通过在对应于形成光学孔径14a的位置形成具有开口的光刻胶，该光学孔径14a形成在该薄Si薄膜114P上。然后通过使用作为掩膜的该光刻胶图形各向异性地干法蚀刻(例如，RIE)该薄Si薄膜114P，因而形成通过该薄Si薄膜114P的光学孔径14a，其中含铬层114C在其底部露出。接着，通过使用作为掩膜的光刻胶和该薄Si薄膜114P进行湿法蚀刻，以便使光学孔径14a能够通过该含铬层114C，因而完成该光学孔径14a的形成。其后存在于该薄Si薄膜114P的光刻胶掩膜被去掉。
最后，干法蚀刻该薄Si薄膜114P的表面并且该微小凹进/凸起结构MR因此形成在该薄Si薄膜114P上，因而完成遮光层114的形成。如图7(c)所示。
在实际进行的制造过程中，制备直径为100mm的玻璃基质12，并且厚度为1000埃的含铬层(在这个例子中为金属铬层)114C和厚度为5000埃的薄Si薄膜114P通过溅射形成在该玻璃基质12上。然后形成光刻胶图形并且通过用RIE干法蚀刻设备以类似于在参考第一实施例已经说明的方式开口形成在该薄Si薄膜114P上。
接着，该铬层，即，含铬层114C通过湿法蚀刻工艺蚀刻。该蚀刻方法通过使用包含硝酸铈铵、高氯酸和去离子水的液体混合物进行并且该蚀刻过程进行一分钟。保留在该表面上的剩余光刻胶被去掉，然后，该微小凹进/凸起结构MR形成该薄Si薄膜114P的表面，如在参考第一实施例中执行的实际制造过程中所说明的。得到的该微小凹进/凸起结构MR的显微镜观察表明，该遮光层114，即，形成在玻璃基质12上的该薄Si薄膜114P完全变黑，并且形成非常微小的针状凸起以在该薄Si薄膜114P的表面形成该微小凹进/凸起结构MR。如上所述制造的该尼普科夫盘110的反射比测量表明，可见光范围的反射比等于或小于0.1％。并且可见光范围的透射率等于或小于0.001％。换句话说，通过采用该实施例实现的反射比的减小倍数为至少减小到0.1倍。
第三实施例图8示出三维测量装置中采用的结构，其中安装有第一实施例或第二实施例中的尼普科夫盘。
三维测量装置200包括反射照明光源250，其提供用于照明放置在载物台ST上的测量物体MO的照明光；反射照明共聚焦光学系统260，其将来自反射照明光源250的照明光聚集在测量物体MO上，并且得到来自该测量物体的反射光；成像装置270，其给由经由反射照明共聚焦光学系统260得到的反射光形成的图像照相；观察光学系统280，其能够对测量物体的立体图像用摄影机观察；以及激光AF系统290，其接合在焦距调节中用于通过该摄影机进行图像观察。
该反射照明光源250包括用作光源的内插式水银灯，将来自该照明装置255的照明光经由光纤251引导到偏振分束器252。应当注意，沿着规定的方向调节该照明光的偏振板254设置在该光纤251和该偏振分束器252之间。
该反射照明共聚焦光学系统260包括构成两侧焦阑物镜光学系统的第一物镜261和第二物镜262和以恒速旋转的尼普科夫盘10(110)。该第一物镜261设置在朝向该测量物体MO的一侧，能够经由焦点偏移机构264沿着光轴OA移动到最佳位置。该第二物镜262将由第一物镜261照准的图像光以有最佳放大倍数聚集在该尼普科夫盘10(100)的遮光层上。该尼普科夫盘10(100)是参考第一实施例或第二实施例说明的尼普科夫盘，在该反射照明共聚焦光学系统260中起扫描装置的作用。
该尼普科夫盘10(100)垂直于光轴OA设置以便用光轴OA对准该尼普科夫盘的法线，当该尼普科夫盘10(100)被驱动装置265驱动时，它绕平行于光轴OA延伸的轴线RA以恒速旋转。形成在该尼普科夫盘10(100)的针孔10b(等同于图2中的光学孔径14a)设置在与该测量物体MO的位置共轭的位置。因此，该测量物体MO的XY截面被扫描，其中许多聚集光点和该聚集光点处的反射光通过该针孔10b被朝着该成像装置270被引导。该测量物体MO的XY截面因此作为结果而获得。
应当注意，虽然在这个实施例中第一物镜261和第二物镜262设置成以实现两侧焦阑系统，但是也可以使用一侧焦阑光学系统，并且这种单透镜的焦阑光学系统的成像放大倍数可以自由设置以便适合特定的应用目的。
该成像装置270包括投影系统271，其经由形成在尼普科夫盘10的针孔10b，例如，以一的放大倍数投影图像；设置在该成像系统271后部的载物台的半反射镜272；高灵敏度摄像机273，其设置在经由该半反射镜272直线向前的光的光程中，以及低灵敏度摄像机274，其设置在该半反射镜272处改变方向的光的光程中。该投影系统271是包括一对透镜的271a和271b的两侧焦阑系统，其中为了得到沿着规定方向被偏振的部分观察光，偏振板276设置在该两个透镜的271a和271b之间，该观察光沿着规定的方向被偏振。该高灵敏度摄像机273用于以高灵敏度观察经由尼普科夫盘10(100)等获得的该测量物体MO的扫描图像，而该低灵敏度摄像机274用于以低灵敏度观察经由尼普科夫盘10(100)等获得的该测量物体MO的扫描图像。
该观察光学系统280包括设置在该反射照明共聚焦光学系统260的光轴OA上的向前/向后反光镜281，以便能够向前和向后移动；固定在永久位置的光程弯曲反光镜282；用于放大倍数调节的可变焦光学系统283；用于明视场观察的明视场摄像机284，用于明视场观察的共轴照明装置285；以及将明视场照明光引导到观察光程的分束器286。其中该向前/向后反光镜281设置在光轴OA上，当用明视场摄像机284观察图像时，用于该测量物体MO的立体图像的放大倍数通过调节该可变焦光学系统283能够改变。
激光AF系统290包括半反射镜291，转像系统292、分光镜293、一对透镜294和295以及一对传感器296和297。通过监视来自该对传感器296和297的输出，能够检测该测量物体MO的聚焦状态，并且当该第一物镜261经由焦点偏移机构264移动最佳距离时，能够保持该合焦状态。
下面解释在图8所示的装置中进行的操作。从反射照明光源250发射的光在偏振分束器252被反射并且辐射到尼普科夫盘10(100)。这个光然后通过尼普科夫盘10(100)的针孔10b(相应于图2中的光学孔径14a)并且经由物镜261和262聚集在测量物体MO上。从该测量物体MO反射的光经由物镜261和262再一次通过该尼普科夫盘10(100)的针孔10b。该反射光通过与聚集在该测量物体MO上的照明光先前已经通过的针孔10b相同的针孔10b。如上所述通过尼普科夫盘10(100)的针孔10b的光透射过该偏振分束器252并经由投影系统271在摄像机273和274的成像表面形成图像。
在这个过程中，尼普科夫盘10(100)由驱动装置265旋转地驱动，并且因此，引导到测量物体MO的该照明点光源在XY平面内被扫描在该测量物体MO上。通过摄像机273和274的结合获得在上述扫描范围内的整个测量物体MO的图像。在图像检测过程中通过经由焦点偏移机构264移动该第一物镜262，该测量物体MO能够被取剖面，并且通过对这样获得的图形进行分析，能够确定该三维测量特性分布和该测量物体MO形状。
由于使用不容易反光的尼普科夫盘10(100)，噪声不太可能经由上述该三维测量装置200中的高灵敏度摄像机273等被引进该检测观察光中。结果，通过利用例如测量物体MO的断层X射线摄影图像，能够进行高精确度的测量。此外，由于合焦位置沿着上下方向逐渐变化，当第一物镜261经由焦点偏移机构264逐渐移动时，很容易获得精确的三维图像，该精确的三维图像由在沿着深度方向的各种位置得到的断层X射线摄影图像构成。
虽然关于最佳实施例具体示出并描述本发明，但是本发明不限于这些例子并且本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神实质、范围和公开的情况下，可以在形式和细节上进行各种变化。例如，虽然，对根据本发明的光学元件用作尼普科夫盘的例子给出了上述说明，但是本发明不限于这些例子并且可以用于各种类型的掩膜和和孔径中，该掩膜和孔径包括遮光层或以规定的图形形成在透明基质上的遮挡层。
此外，虽然参考实施例对由Si构成的该遮光层14形成在用SiO2形成的玻璃基质12上的例子给出了上述说明，但是薄Si薄膜可以形成在由石英砂或氟化物玻璃构成的基质上，光学孔径可以形成在这种薄Si薄膜上，并且微小凹进/凸起结构可以形成在由该薄Si薄膜构成的遮光层的表面上。这种可选结构也减小来自遮光层的反射光。
还有，在这个实施例中，通过将玻璃基质12放置在由铝板构成的浅碟41上，并且用来自作为掩膜的该浅碟41的溅射颗粒，该微小凹进/凸起结构MR形成在遮光层14的表面上。但是，当形成该微小凹进/凸起结构MR时，可以用除铝之外的材料作为掩膜材料，只要其蚀刻率低于Si。例如，当该微小凹进/凸起结构MR形成在薄Si薄膜上时，SiO2的溅射颗粒或反应产物可以用作掩膜材料。而且，该共聚焦显微镜可以采用除参考该实施例说明的结构之外的其他结构。
结合供参考下面的在先申请的内容结合于此以供参考2004年10月27日提交的日本专利申请20004-312805号。
权利要求
1.一种光学元件制造方法，包括设置遮光层，该遮光层包括作为在用作基底件的基质上的最上层的至少一层Si层；在遮光层形成的光学孔径；以及通过干法蚀刻在该最上层的表面处形成微小的凹进/凸起结构。
2.如权利要求1所述的光学元件制造方法，其中通过由薄膜汽相沉积形成Si层，该遮光层形成在该基质上。
3.如权利要求2所述的光学元件制造方法，其中该Si层通过由等离子体CVD形成。
4.如权利要求1-3中任一项所述的光学元件制造方法，其中该微小的凹进/凸起结构通过下述方法形成用掩膜材料覆盖该最上层，该掩膜材料由蚀刻率低于Si的蚀刻率的微细颗粒构成，并且用干法蚀刻该最上层表面，该最上层表面具有沉积在该最上层的表面上用作掩膜的微细颗粒。
5.如权利要求1-3中任一项所述的光学元件制造方法，其中该微小的凹进/凸起结构通过下述方法形成围绕在其上形成有遮光层的基质沉积蚀刻率低于Si的蚀刻率的掩膜材料，干法蚀刻该掩膜材料，以便用构成该掩膜材料的微小颗粒覆盖该最上层的表面，并且干法蚀刻该遮光层的最上层。
6.如权利要求5所述的光学元件制造方法，其中该掩膜材料构成支撑该基质的至少部分支撑基底。
7.如权利要求4至6中任一项所述的光学元件制造方法，其中该掩膜材料包含Al2O3或SiO2，或者Al2O3或SiO2的反应产物。
8.如权利要求1至7中任一项所述的光学元件制造方法，其中用于干法蚀刻的蚀刻气体包含下面至少其中一种气体四氯甲烷、四氯乙烯、三氯乙烯、五氯乙烯、三氯化硼和氯气。
9.如权利要求1至7中任一项所述的光学元件制造方法，其中用于干法蚀刻的蚀刻气体是混合气体，该混合气体由包含以下物质构成含氯气体，该含氯气体包含以下至少一种气体四氯甲烷、四氯乙烯、三氯乙烯、五氯乙烯、三氯化硼和氯气；以及含氟气体，该含氟气体包含以下至少一种气体四氟甲烷、三氟甲烷、六氟乙烯、八氟丙烷和氟气，并加入氧气。
10.如权利要求1至9中任一项所述的光学元件制造方法，其中该干法蚀刻至少通过或者RIE(反应离子蚀刻)、或者ICP(感应耦合等离子体)蚀刻进行。
11.一种光学元件，包括用作基底件的基质；和形成在该基质上并包括通过干法蚀刻形成的微小凹进/凸起结构的遮光层。
12.如权利要求11所述的光学元件，其中该遮光层包括作为最上层的至少一层Si层；并且该微小凹进/凸起结构形成在该Si层上。
13.如权利要求11或12所述的光学元件，其中该遮光层包括光学孔径，通过该光学孔径露出该基质。
14.一种尼普科夫盘，包括用作基底件的基质；形成在该基质上的遮光层，该遮光层包括作为其最上层的Si层，该Si层包括通过干法蚀刻形成的微小的凹进/凸起结构；和形成在该遮光层的多个光学孔径，并且通过该光学孔径露出该基质。
15.一种共聚焦光学系统，包括根据权利要求14的尼普科夫盘，该尼普科夫盘作为用于扫描合焦位置的扫描装置。
16.一种三维测量装置，包括包括根据权利要求14的尼普科夫盘；支撑测量物体的载物台；和设置在该尼普科夫盘和该载物台之间的物镜光学系统。
全文摘要
一种光学元件制造方法包括设置遮光层(14)，该遮光层包括在用作基底件的基质上的作为最上层的至少Si层；在遮光层(14)上形成光学孔径(14a)；以及通过干法蚀刻在最上层的表面上形成微小的凹进/凸起结构。
文档编号G02B5/02GK101048676SQ200580037028
公开日2007年10月3日 申请日期2005年10月24日 优先权日2004年10月27日
发明者浜村宽, 门松洁, 雨宫升 申请人:株式会社尼康