专利名称：共焦计测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及以非接触方式对计测对象物的位移进行计测的计测装置，特别涉及利用共焦光学系统来对计测对象物的位移进行计测的共焦计测装置。
背景技术：
在在以非接触方式对计测对象物的位移进行计测的计测装置中，专利文献I中公开了利用共焦光学系统来对计测对象物的位移进行计测的共焦计测装置。专利文献I公开的共焦计测装置具有色差透镜，该色差透镜使用于出射多个波长的光的光源(例如白色光源)所出射的光，沿其光轴产生色差。就在专利文献I中公开的共焦计测装置而言，因为根据计测对象物的位移而从色差透镜出射的聚焦的光的波长不同，所以通过针孔(pinhole)的光的波长发生变化，由此通过对通过了针孔的光的波长进行测定来对计测对象物的位移 进行计测。另外，在专利文献2中公开的共焦计测装置，使用衍射透镜来代替色差透镜，从而使从光源出射的光沿其光轴产生色差。此外，专利文献2公开的共焦计测装置，针对从光源到准直透镜为止的光路以及从准直透镜到分光器为止的光路使用了光纤。现有技术文献专利文献专利文献I :美国专利第4585349号说明书专利文献2 :美国专利第5785651号说明书然而，就在专利文献I及专利文献2中公开的共焦计测装置而言，由于利用色差透镜或衍射透镜来使光聚焦在计测对象物上，因而因色差透镜或衍射透镜的光学特性，导致景深依赖于光波长而发生大幅变化。若因光的波长而导致景深发生大幅变化，则能够通过针孔的光量会因各光的波长而不同，因而专利文献I及专利文献2中公开的共焦计测装置存在如下问题在对计测对象物的位移进行计测时，因光的波长而导致精度(分辨率)发生大变动。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而做出的，目的在于，提供一种共焦计测装置，该共焦计测装置利用共焦光学系统来对计测对象物的位移进行计测，能够抑制在对计测对象物的位移进行计测时因光的波长而导致的精度变动。本发明的共焦计测装置是利用共焦光学系统来对计测对象物的位移进行计测的计测装置。共焦计测装置具有光源，其出射多个波长的光，衍射透镜，其使从光源出射的光，沿光轴方向产生色差，物镜，其配置在比衍射透镜更靠近计测对象物的一侧，使通过衍射透镜而产生了色差的光会聚在计测对象物上，针孔，其使通过物镜而会聚的光中的会聚于计测对象物上的光通过，测定部，其以波长为单位对通过了针孔的光的强度进行测定；衍射透镜的焦距大于从衍射透镜到物镜为止的距离和物镜的焦距之差。
另外，在本发明的共焦计测装置中，优选从衍射透镜到物镜为止的距离大致与物镜的焦距相等。另外，在本发明的共焦计测装置中，优选能够更换物镜。另外，在本发明的共焦计测装置中，优选在从衍射透镜到测定部为止的光路上具有光纤，并且，将光纤作为针孔来使用。另外，在本发明的共焦计测装置中，优选衍射透镜具有玻璃基板和树脂层，该树脂层形成在玻璃基板的至少一个面上，并且，该树脂层具有使光沿光轴方向产生色差的图案。若采用上述结构，则本发明的共焦计测装置通过将物镜配置在比衍射透镜更靠近计测对象物的一侧，并使衍射透镜的焦距大于从衍射透镜到物镜为止的距离和物镜的焦距之差，由此能够抑制因光的波长而导致的景深变化，抑制在对计测对象物的位移进行计测时因光的波长而导致的精度变动。
图I是示出了本发明的第一实施方式的共焦计测装置的结构的示意图。图2是示出了以往的共焦计测装置所采用的头部的共焦光学系统的结构的示意图。图3是示出了使用以往的共焦计测装置来对计测对象物的位移进行计测时的光谱波形的一例的图。图4是示出了在本发明的第一实施方式的共焦计测装置中采用的头部的共焦光学系统的结构的示意图。图5是示出了使用本发明的第一实施方式的共焦计测装置来对计测对象物的位移进行计测时的光谱波形的一例的图。图6是示出了光谱的半光谱幅值相对于工件高度的变化的曲线图。图7是示出了对衍射透镜的数值孔径和物镜的数值孔径进行比较的情况的曲线图。图8是示出了本发明的第一实施方式的共焦计测装置的头部的结构的示意图。图9是由多材料构成的衍射透镜的示意图。图10是示出了本发明的第二实施方式的共焦计测装置的头部的结构的概略图。图11是示出了本发明的第二实施方式的共焦计测装置的分光器的结构的概略图。图12是示出了本发明的第二实施方式的共焦计测装置的白色LED和光纤的连接部的结构的概略图。图13是示出了采用了荧光体方式的白色LED的光谱的图。图14是示出了拍摄器件的受光波形和阈值之间的关系的图。图15是用于说明对白色LED的发光强度进行调整的动作的流程图。附图标记的说明I、400衍射透镜2 物镜3、23c会聚透镜
4间隔物5 环10、IOa 头部ll、22a、22b、22c 光纤12主体单元13物镜单元14、23e光纤插座
15光连接器20控制部21 白色 LED22分支光纤22bl、22cl光纤套管部23、230 分光器23a凹面镜23b衍射光栅23d准直透镜23f分光器基部24拍摄器件25控制电路部30监视部100共焦计测装置200计测对象物210保持框体211光纤卡销300准直透镜。
具体实施例方式下面，参照附图，对本发明的实施方式进行详细的说明。(第一实施方式)图I是示出了本发明的第一实施方式的共焦计测装置的结构的示意图。在图I所示的共焦计测装置100中，利用共焦光学系统来对计测对象物200的位移进行计测。使用共焦计测装置100来进行计测的计测对象物200，例如有液晶显示面板的单元间隙(cellgap)等。共焦计测装置100具有头部10，其具有共焦光学系统；控制部20，其经由光纤11而被光学连接；监视部30，其显示从控制部20输出的信号。头部10具有衍射透镜I ;物镜2，其配置在比衍射透镜I更靠近计测对象物200的一侧。衍射透镜I的焦距，大于从衍射透镜到物镜为止的距离和物镜的焦距之差。在这里，衍射透镜I是使从后述的用于出射多个波长的光的光源(例如，白色光源)出射的光，沿其光轴方向而产生色差的光学元件。就衍射透镜I而言，在其透镜的表面上，例如周期性形成有相息图(kinoform :位相衍射成像图)形状或二元(binary)形状(阶段形状、台阶形状)等的微细的起伏形状，或者，形成有周期性变更光透过率的振幅型的波带片(zone plate)。此外,衍射透镜I的结构并不限定于上述记载的结构。物镜2，是用于使通过衍射透镜I而产生了色差的光会聚在计测对象物200上的光学元件。此外，下面，对共焦计测装置100使用白色光源来作为出射多个波长的光的光源的情况进行说明。从白色光源出射的光经由光纤11而被导入至头部10。为了使用衍射透镜I来有效地利用从光纤11出射的光，需要使光纤11的数值孔径(NA numerical aperture)与衍射透镜I的数值孔径一致。因此，通过在光纤11和衍射透镜I之间设置会聚透镜3，来将光纤11的数值孔径和衍射透镜I的数值孔径调整为一致。光纤11，是从头部10到控制部20为止的光路，并且还作为针孔(pinhole)发挥功能。即，在通过物镜2而会聚的光中，可在计测对象物200上聚焦(对焦)的光会在光纤 11的开口部聚焦(对焦)。因此，光纤11作为针孔来发挥功能，该针孔对不在计测对象物200上聚焦(对焦)的波长的光进行遮挡(遮光)，并使在计测对象物200上聚焦(对焦)的光通过。在从头部10到控制部20为止的光路上使用光纤11，因而不需要另设针孔。在共焦计测装置100中，也可以对从头部10到控制部20为止的光路不使用光纤11，但通过对该光路使用光纤11，能够相对于控制部而灵活地移动头部10。另外，就共焦计测装置100而言，采用对从头部10到控制部20为止的光路不使用光纤11的结构的情况下，需要具备针孔，但在使用光纤11的结构的情况下，共焦计测装置100不需具备针孔。控制部20具有作为白色光源的白色LED (LightEmittingDiode) 21、分支光纤22、分光器23、拍摄器件24及控制电路部25。使用白色LED21来作为白色光源，但也可以使用其他光源，只要是能够出射白色光的光源即可。在分支光纤22上,在与光纤11连接的一侧具有一根光纤22a,并在其相反侧具有两根光纤22b、22c。此外，光纤22b与白色LED21相连接，光纤22c与分光器23相连接。因此，分支光纤22能够将从白色LED21出射的光导入至光纤11，并且，能够将经由光纤11而从头部10返回的光导入至分光器23。分光器23具有凹面镜23a，其反射从头部10返回的光；衍射光栅23b，其被入射从凹面镜23a反射出来的光；会聚透镜23c,其使从衍射光栅23b出射的光会聚。就分光器23而言，只要能够根据波长而分离从头部10返回的光即可，也可以采用“切尔尼-特纳(Czerny-Turner) ”型、“利特罗(Littrow) ”型等任一种结构。拍摄器件24是对从分光器23出射的光的强度进行测定的线性CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor :互补金属氧化物半导体)或COKChargeCoupledDevice :电荷耦合装置)。在这里，在共焦计测装置100中，由分光器23及拍摄器件24构成以波长为单位对从头部10返回的光的强度进行测定的测定部。此外，就测定部而言，只要能够以波长为单位对从头部10返回的光的强度进行测定即可，也可以由CXD等拍摄器件24的单体构成。另外，拍摄器件24也可以是二维CMOS或二维(XD。控制电路部25是对白色LED21及拍摄器件24等的动作进行控制的电路。另外，虽未图示，但控制电路部25具有输入接口、输出接口等，其中，该输入接口输入用于对白色LED21及拍摄器件24等的动作进行调整的信号，该输出接口输出拍摄器件24的信号。
监视部30显示由拍摄器件24输出的信号。监视部30例如描画从头部10返回的光的光谱波形，并显示计测对象物的位移为123. 45 u m。接着，对如下情况进行说明在比衍射透镜I更靠近计测对象物200的一侧配置物镜2，并使衍射透镜I的焦距大于从衍射透镜I到物镜2为止的距离和物镜2的焦距之差，以此构成头部10的共焦光学系统100，通过该共焦计测装置100来抑制对计测对象物200的位移进行计测时因光的波长而导致的精度变动。首先，图2示出了以往的共焦计测装置所采用的头部的共焦光学系统的结构的示意图。在图2所示的共焦光学系统的结构中，在比准直透镜300更靠近计测对象物200的一侧配置衍射透镜400。即，在以往的共焦计测装置中，使用准直透镜300来使从光纤11的端部出射的光成为平行光，使用衍射透镜400来使平行光会聚在计测对象物200上，并且，使其沿光轴方向产生色差。就以往的共焦计测装置而言，由于使用衍射透镜400来使光会聚在计测对象物 200上，因此因衍射透镜400的光学特性而导致景深依赖于光的波长而发生大幅变化。若景深依赖于光的波长而发生大幅变化，则能够入射至光纤11的光量(能够通过针孔的光量)因每个光的波长而不同，因而以往的共焦计测装置对计测对象物的位移进行计测时，因光的波长而导致精度(分辨率)发生大幅变动。能够利用由共焦计测装置的测定部得到的光谱波形的光谱的半光谱幅值，来评定对计测对象物的位移进行计测时的精度。在这里，光谱的半光谱幅值是指，相对于波峰的光的强度而成为1/2的光的强度的光谱的两点之间距离。图3是示出了使用以往的共焦计测装置来对计测对象物的位移进行计测时的光谱波形的一例的图。在图3所示的光谱波形中，横轴是与光的波长相对应的工件高度(将从计测对象物200到头部10的前端为止的高度设定为零)(mm)，纵轴是光的强度(标准化了的值)。就光谱波形而言，图示出多个光谱的波峰，并且，与工件高度为正的一侧(光的波长长的一侧)的光谱的半光谱幅值相比，工件高度为负的一侧(光的波长短的一侧)的光谱的半光谱幅值更大。此外，该半光谱幅值还取决于光纤11的直径及光纤11 一侧的透镜300的焦深。光纤11的直径变小或透镜300的焦深变浅，则会导致半光谱幅值变窄。其中，由于在计测装置内光纤11的直径及光纤11 一侧的透镜300的焦深是固定的，因而不存在因工件高度而导致半光谱幅值的相对差异发生变化的情况。具体而言，工件高度约为-0. 6mm的光谱的半光谱幅值A约为0. 046mm,工件高度约为0. 6mm的光谱的半光谱幅值B约为0. 023mm。即，光谱的半光谱幅值A是光谱的半光谱幅值B的约2倍，随着工件高度变小(光的波长变短)而光谱的半光谱幅值变大。此外，由于因光的波长而导致包含在白色光源中的光的强度不同，因而光谱的波峰因工件高度而变化。就以往的共焦计测装置而言，可知由于随着工件高度变小(光的波长变短)而光谱的半光谱幅值变大，因而，随着工件高度变小(光的波长变短)，对计测对象物200的位移进行计测的精度变差。接着，图4是示出了在本发明的第一实施方式的共焦计测装置中采用的头部的共焦光学系统的结构的示意图。在图4所示的共焦光学系统的结构中，在比衍射透镜I更靠近计测对象物200的一侧配置物镜2。即，在共焦计测装置100中，使用衍射透镜I来使从光纤11的端部出射的光沿其光轴方向产生色差，并使用物镜2来使产生了色差的光会聚在计测对象物200上。就共焦计测装置100而言，由于使用物镜2来使光会聚在计测对象物200上，而不是使用衍射透镜I来使光会聚在计测对象物200上，因此，根据后述的理由，能够抑制因光的波长而导致的景深变化，从而抑制对计测对象物200的位移进行计测时因光的波长而导致的精度变动。图5是示出了使用本发明的第一实施方式的共焦计测装置来对计测对象物的位移进行计测时的光谱波形的一例的图。在图5所示的光谱波形中，横轴是与光的波长相对应的工件高度(将从计测对象物200到头部10的前端为止的高度设定为零)(_)，纵轴是光的强度(标准化了的值)。就光谱波形而言，图示了多个光谱的波峰，工件高度为正的一侧(光的波长长的一侧)的光谱的半光谱幅值和工件高度为负的一侧(光的波长短的一侦D的光谱的半光谱幅值大致相等。
具体而言，工件高度为约-0. 6mm的光谱的半光谱幅值C是约0. 025mm，工件高度为约0. 6mm的光谱的半光谱幅值D是约0. 029mm。即，光谱的半光谱幅值C与光谱的半光谱幅值D大致相等。因此，就共焦计测装置100而言，即使工件高度(光的波长)发生变化，光谱的半光谱幅值也不容易发生变化，因而能够抑制对计测对象物200的位移进行计测时因光的波长而导致的精度变动。图6是示出了光谱的半光谱幅值相对于工件高度的变化的曲线图。在图6所示的曲线图中，图示了表示以往的共焦计测装置的光谱的半光谱幅值(在图3所示的光谱的半光谱幅值)的折线a，和表示共焦计测装置100的光谱的半光谱幅值(在图5所示的光谱的半光谱幅值)的折线b。就折线a而言，随着工件高度变小(光的波长变短)而光谱的半光谱幅值变大，但就折线b而言，半光谱幅值与工件高度(光的波长)无关地大致恒定。具体而言，折线a所表示的光谱的半光谱幅值，倾斜地从约0. 023mm变化至约0. 046mm,但折线b所表示的光谱的半光谱幅值以约0. 030mm为中心从约0. 023mm变化至约0. 034mm。接着，利用数学式，在理论上说明共焦计测装置100抑制因光的波长而导致的景深变化，从而抑制对计测对象物200的位移进行计测时因光的波长而导致的精度变动。首先，在图4所示的共焦计测装置100的光学系统中，将从光纤11的端部到衍射透镜I为止的距离设定为a，将从衍射透镜I到物镜2为止的距离设定为b，将从物镜2到通过物镜2而聚焦的点为止的距离设定为c( X )。并且，就衍射透镜I而言，将光的波长为入。时的焦距设定为fd(l，将有效直径设定为9a。此外，假设距离a与焦距fd(l相等。就物镜2而言，将焦距设定为f。，将有效直径设定为(Pb (A)0另一方面，在图2所示的以往的共焦计测装置的光学系统中，为了计算简单，将从光纤11的端部到准直透镜300为止的距离设定为a，将从准直透镜300到衍射透镜400为止的距离设定为b，将从衍射透镜400到通过衍射透镜400而聚焦的点为止的距离设定为C(A)0并且，就准直透镜300而言，将焦距设定为fd(l。此外，假设距离a与焦距fd(l相等。就衍射透镜400而言,将光的波长为\ ^时的焦距设定为f。，将有效直径设定为9a。衍射透镜400的焦距fd( X )是光的波长\的函数，若将光的波长为\ ^时的焦距设定为f。，则一般能够利用衍射透镜的公式来如(公式I)那样表示。
权利要求
1.ー种共焦计测装置，利用共焦光学系统来对计测对象物的位移进行计测，其特征在干， 具有: 光源，其出射多个波长的光， 衍射透镜，其使从所述光源出射的光，沿光轴方向产生色差， 物镜，其配置在比所述衍射透镜更靠近所述计测对象物的ー侧，用于使通过所述衍射透镜而产生了色差的光会聚在所述计测对象物上， 针孔，其使通过所述物镜而会聚的光中的能够对焦于所述计测对象物上的光通过， 測定部，其以波长为单位对通过了所述针孔的光的强度进行測定； 所述衍射透镜的焦距，大于从所述衍射透镜到所述物镜为止的距离和所述物镜的焦距之差。
2.根据权利要求I记载的共焦计测装置，其特征在干， 从所述衍射透镜到所述物镜为止的距离，大致与所述物镜的焦距相等。
3.根据权利要求I或2记载的共焦计测装置，其特征在干， 所述物镜能够更换。
4.根据权利要求I至3中的任一项记载的共焦计测装置，其特征在干， 在从所述衍射透镜到所述测定部为止的光路上具有光纤； 将所述光纤作为所述针孔来使用。
5.根据权利要求I至4中的任一项记载的共焦计测装置，其特征在干， 所述衍射透镜具有玻璃基板和树脂层，该树脂层形成在所述玻璃基板的至少ー个面上，并且，该树脂层具有使光沿光轴方向产生色差的图案。
全文摘要
本发明提供利用共焦光学系统计测计测对象物位移的共焦计测装置，能够抑制在对计测对象物的位移进行计测时因光波长而导致的精度变动。本发明是利用共焦光学系统来对计测对象物的位移进行计测的共焦计测装置。共焦计测装置100具有白色LED21；衍射透镜1，使从白色LED21出射的光沿光轴方向产生色差；物镜2，配置在比衍射透镜1更靠近计测对象物200的一侧，使通过衍射透镜1而产生色差的光会聚在计测对象物200上；针孔，使通过物镜2而会聚的光中能够聚焦于计测对象物200上的光通过；波长测定部，测定通过了针孔的光的波长。衍射透镜1的焦距大于从衍射透镜1到物镜2的距离和物镜2的焦距之差。
文档编号G01B11/02GK102679880SQ20121002512
公开日2012年9月19日 申请日期2012年2月1日 优先权日2011年3月14日
发明者平田真理子, 早川雅之 申请人:欧姆龙株式会社