專利名稱：共焦計測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以非接觸方式對計測對象物的位移進(jìn)行計測的計測裝置，特別涉及利用共焦光學(xué)系統(tǒng)來對計測對象物的位移進(jìn)行計測的共焦計測裝置。
背景技術(shù)：
在在以非接觸方式對計測對象物的位移進(jìn)行計測的計測裝置中，專利文獻(xiàn)I中公開了利用共焦光學(xué)系統(tǒng)來對計測對象物的位移進(jìn)行計測的共焦計測裝置。專利文獻(xiàn)I公開的共焦計測裝置具有色差透鏡，該色差透鏡使用于出射多個波長的光的光源(例如白色光源)所出射的光，沿其光軸產(chǎn)生色差。就在專利文獻(xiàn)I中公開的共焦計測裝置而言，因為根據(jù)計測對象物的位移而從色差透鏡出射的聚焦的光的波長不同，所以通過針孔(pinhole)的光的波長發(fā)生變化，由此通過對通過了針孔的光的波長進(jìn)行測定來對計測對象物的位移 進(jìn)行計測。另外，在專利文獻(xiàn)2中公開的共焦計測裝置，使用衍射透鏡來代替色差透鏡，從而使從光源出射的光沿其光軸產(chǎn)生色差。此外，專利文獻(xiàn)2公開的共焦計測裝置，針對從光源到準(zhǔn)直透鏡為止的光路以及從準(zhǔn)直透鏡到分光器為止的光路使用了光纖。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :美國專利第4585349號說明書專利文獻(xiàn)2 :美國專利第5785651號說明書然而，就在專利文獻(xiàn)I及專利文獻(xiàn)2中公開的共焦計測裝置而言，由于利用色差透鏡或衍射透鏡來使光聚焦在計測對象物上，因而因色差透鏡或衍射透鏡的光學(xué)特性，導(dǎo)致景深依賴于光波長而發(fā)生大幅變化。若因光的波長而導(dǎo)致景深發(fā)生大幅變化，則能夠通過針孔的光量會因各光的波長而不同，因而專利文獻(xiàn)I及專利文獻(xiàn)2中公開的共焦計測裝置存在如下問題在對計測對象物的位移進(jìn)行計測時，因光的波長而導(dǎo)致精度(分辨率)發(fā)生大變動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題而做出的，目的在于，提供一種共焦計測裝置，該共焦計測裝置利用共焦光學(xué)系統(tǒng)來對計測對象物的位移進(jìn)行計測，能夠抑制在對計測對象物的位移進(jìn)行計測時因光的波長而導(dǎo)致的精度變動。本發(fā)明的共焦計測裝置是利用共焦光學(xué)系統(tǒng)來對計測對象物的位移進(jìn)行計測的計測裝置。共焦計測裝置具有光源，其出射多個波長的光，衍射透鏡，其使從光源出射的光，沿光軸方向產(chǎn)生色差，物鏡，其配置在比衍射透鏡更靠近計測對象物的一側(cè)，使通過衍射透鏡而產(chǎn)生了色差的光會聚在計測對象物上，針孔，其使通過物鏡而會聚的光中的會聚于計測對象物上的光通過，測定部，其以波長為單位對通過了針孔的光的強(qiáng)度進(jìn)行測定；衍射透鏡的焦距大于從衍射透鏡到物鏡為止的距離和物鏡的焦距之差。
另外，在本發(fā)明的共焦計測裝置中，優(yōu)選從衍射透鏡到物鏡為止的距離大致與物鏡的焦距相等。另外，在本發(fā)明的共焦計測裝置中，優(yōu)選能夠更換物鏡。另外，在本發(fā)明的共焦計測裝置中，優(yōu)選在從衍射透鏡到測定部為止的光路上具有光纖，并且，將光纖作為針孔來使用。另外，在本發(fā)明的共焦計測裝置中，優(yōu)選衍射透鏡具有玻璃基板和樹脂層，該樹脂層形成在玻璃基板的至少一個面上，并且，該樹脂層具有使光沿光軸方向產(chǎn)生色差的圖案。若采用上述結(jié)構(gòu)，則本發(fā)明的共焦計測裝置通過將物鏡配置在比衍射透鏡更靠近計測對象物的一側(cè)，并使衍射透鏡的焦距大于從衍射透鏡到物鏡為止的距離和物鏡的焦距之差，由此能夠抑制因光的波長而導(dǎo)致的景深變化，抑制在對計測對象物的位移進(jìn)行計測時因光的波長而導(dǎo)致的精度變動。


圖I是示出了本發(fā)明的第一實施方式的共焦計測裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是示出了以往的共焦計測裝置所采用的頭部的共焦光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3是示出了使用以往的共焦計測裝置來對計測對象物的位移進(jìn)行計測時的光譜波形的一例的圖。圖4是示出了在本發(fā)明的第一實施方式的共焦計測裝置中采用的頭部的共焦光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖5是示出了使用本發(fā)明的第一實施方式的共焦計測裝置來對計測對象物的位移進(jìn)行計測時的光譜波形的一例的圖。圖6是示出了光譜的半光譜幅值相對于工件高度的變化的曲線圖。圖7是示出了對衍射透鏡的數(shù)值孔徑和物鏡的數(shù)值孔徑進(jìn)行比較的情況的曲線圖。圖8是示出了本發(fā)明的第一實施方式的共焦計測裝置的頭部的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖9是由多材料構(gòu)成的衍射透鏡的示意圖。圖10是示出了本發(fā)明的第二實施方式的共焦計測裝置的頭部的結(jié)構(gòu)的概略圖。圖11是示出了本發(fā)明的第二實施方式的共焦計測裝置的分光器的結(jié)構(gòu)的概略圖。圖12是示出了本發(fā)明的第二實施方式的共焦計測裝置的白色LED和光纖的連接部的結(jié)構(gòu)的概略圖。圖13是示出了采用了熒光體方式的白色LED的光譜的圖。圖14是示出了拍攝器件的受光波形和閾值之間的關(guān)系的圖。圖15是用于說明對白色LED的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整的動作的流程圖。附圖標(biāo)記的說明I、400衍射透鏡2 物鏡3、23c會聚透鏡
4間隔物5 環(huán)10、IOa 頭部ll、22a、22b、22c 光纖12主體單元13物鏡單元14、23e光纖插座

15光連接器20控制部21 白色 LED22分支光纖22bl、22cl光纖套管部23、230 分光器23a凹面鏡23b衍射光柵23d準(zhǔn)直透鏡23f分光器基部24拍攝器件25控制電路部30監(jiān)視部100共焦計測裝置200計測對象物210保持框體211光纖卡銷300準(zhǔn)直透鏡。
具體實施例方式下面，參照附圖，對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行詳細(xì)的說明。(第一實施方式)圖I是示出了本發(fā)明的第一實施方式的共焦計測裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖。在圖I所示的共焦計測裝置100中，利用共焦光學(xué)系統(tǒng)來對計測對象物200的位移進(jìn)行計測。使用共焦計測裝置100來進(jìn)行計測的計測對象物200，例如有液晶顯示面板的單元間隙(cellgap)等。共焦計測裝置100具有頭部10，其具有共焦光學(xué)系統(tǒng)；控制部20，其經(jīng)由光纖11而被光學(xué)連接；監(jiān)視部30，其顯示從控制部20輸出的信號。頭部10具有衍射透鏡I ;物鏡2，其配置在比衍射透鏡I更靠近計測對象物200的一側(cè)。衍射透鏡I的焦距，大于從衍射透鏡到物鏡為止的距離和物鏡的焦距之差。在這里，衍射透鏡I是使從后述的用于出射多個波長的光的光源(例如，白色光源)出射的光，沿其光軸方向而產(chǎn)生色差的光學(xué)元件。就衍射透鏡I而言，在其透鏡的表面上，例如周期性形成有相息圖(kinoform :位相衍射成像圖)形狀或二元(binary)形狀(階段形狀、臺階形狀)等的微細(xì)的起伏形狀，或者，形成有周期性變更光透過率的振幅型的波帶片(zone plate)。此外,衍射透鏡I的結(jié)構(gòu)并不限定于上述記載的結(jié)構(gòu)。物鏡2，是用于使通過衍射透鏡I而產(chǎn)生了色差的光會聚在計測對象物200上的光學(xué)元件。此外，下面，對共焦計測裝置100使用白色光源來作為出射多個波長的光的光源的情況進(jìn)行說明。從白色光源出射的光經(jīng)由光纖11而被導(dǎo)入至頭部10。為了使用衍射透鏡I來有效地利用從光纖11出射的光，需要使光纖11的數(shù)值孔徑(NA numerical aperture)與衍射透鏡I的數(shù)值孔徑一致。因此，通過在光纖11和衍射透鏡I之間設(shè)置會聚透鏡3，來將光纖11的數(shù)值孔徑和衍射透鏡I的數(shù)值孔徑調(diào)整為一致。光纖11，是從頭部10到控制部20為止的光路，并且還作為針孔(pinhole)發(fā)揮功能。即，在通過物鏡2而會聚的光中，可在計測對象物200上聚焦(對焦)的光會在光纖 11的開口部聚焦(對焦)。因此，光纖11作為針孔來發(fā)揮功能，該針孔對不在計測對象物200上聚焦(對焦)的波長的光進(jìn)行遮擋(遮光)，并使在計測對象物200上聚焦(對焦)的光通過。在從頭部10到控制部20為止的光路上使用光纖11，因而不需要另設(shè)針孔。在共焦計測裝置100中，也可以對從頭部10到控制部20為止的光路不使用光纖11，但通過對該光路使用光纖11，能夠相對于控制部而靈活地移動頭部10。另外，就共焦計測裝置100而言，采用對從頭部10到控制部20為止的光路不使用光纖11的結(jié)構(gòu)的情況下，需要具備針孔，但在使用光纖11的結(jié)構(gòu)的情況下，共焦計測裝置100不需具備針孔?？刂撇?0具有作為白色光源的白色LED (LightEmittingDiode) 21、分支光纖22、分光器23、拍攝器件24及控制電路部25。使用白色LED21來作為白色光源，但也可以使用其他光源，只要是能夠出射白色光的光源即可。在分支光纖22上,在與光纖11連接的一側(cè)具有一根光纖22a,并在其相反側(cè)具有兩根光纖22b、22c。此外，光纖22b與白色LED21相連接，光纖22c與分光器23相連接。因此，分支光纖22能夠?qū)陌咨獿ED21出射的光導(dǎo)入至光纖11，并且，能夠?qū)⒔?jīng)由光纖11而從頭部10返回的光導(dǎo)入至分光器23。分光器23具有凹面鏡23a，其反射從頭部10返回的光；衍射光柵23b，其被入射從凹面鏡23a反射出來的光；會聚透鏡23c,其使從衍射光柵23b出射的光會聚。就分光器23而言，只要能夠根據(jù)波長而分離從頭部10返回的光即可，也可以采用“切爾尼-特納(Czerny-Turner) ”型、“利特羅(Littrow) ”型等任一種結(jié)構(gòu)。拍攝器件24是對從分光器23出射的光的強(qiáng)度進(jìn)行測定的線性CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor :互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)或COKChargeCoupledDevice :電荷耦合裝置)。在這里，在共焦計測裝置100中，由分光器23及拍攝器件24構(gòu)成以波長為單位對從頭部10返回的光的強(qiáng)度進(jìn)行測定的測定部。此外，就測定部而言，只要能夠以波長為單位對從頭部10返回的光的強(qiáng)度進(jìn)行測定即可，也可以由CXD等拍攝器件24的單體構(gòu)成。另外，拍攝器件24也可以是二維CMOS或二維(XD?？刂齐娐凡?5是對白色LED21及拍攝器件24等的動作進(jìn)行控制的電路。另外，雖未圖示，但控制電路部25具有輸入接口、輸出接口等，其中，該輸入接口輸入用于對白色LED21及拍攝器件24等的動作進(jìn)行調(diào)整的信號，該輸出接口輸出拍攝器件24的信號。
監(jiān)視部30顯示由拍攝器件24輸出的信號。監(jiān)視部30例如描畫從頭部10返回的光的光譜波形，并顯示計測對象物的位移為123. 45 u m。接著，對如下情況進(jìn)行說明在比衍射透鏡I更靠近計測對象物200的一側(cè)配置物鏡2，并使衍射透鏡I的焦距大于從衍射透鏡I到物鏡2為止的距離和物鏡2的焦距之差，以此構(gòu)成頭部10的共焦光學(xué)系統(tǒng)100，通過該共焦計測裝置100來抑制對計測對象物200的位移進(jìn)行計測時因光的波長而導(dǎo)致的精度變動。首先，圖2示出了以往的共焦計測裝置所采用的頭部的共焦光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。在圖2所示的共焦光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，在比準(zhǔn)直透鏡300更靠近計測對象物200的一側(cè)配置衍射透鏡400。即，在以往的共焦計測裝置中，使用準(zhǔn)直透鏡300來使從光纖11的端部出射的光成為平行光，使用衍射透鏡400來使平行光會聚在計測對象物200上，并且，使其沿光軸方向產(chǎn)生色差。就以往的共焦計測裝置而言，由于使用衍射透鏡400來使光會聚在計測對象物 200上，因此因衍射透鏡400的光學(xué)特性而導(dǎo)致景深依賴于光的波長而發(fā)生大幅變化。若景深依賴于光的波長而發(fā)生大幅變化，則能夠入射至光纖11的光量(能夠通過針孔的光量)因每個光的波長而不同，因而以往的共焦計測裝置對計測對象物的位移進(jìn)行計測時，因光的波長而導(dǎo)致精度(分辨率)發(fā)生大幅變動。能夠利用由共焦計測裝置的測定部得到的光譜波形的光譜的半光譜幅值，來評定對計測對象物的位移進(jìn)行計測時的精度。在這里，光譜的半光譜幅值是指，相對于波峰的光的強(qiáng)度而成為1/2的光的強(qiáng)度的光譜的兩點之間距離。圖3是示出了使用以往的共焦計測裝置來對計測對象物的位移進(jìn)行計測時的光譜波形的一例的圖。在圖3所示的光譜波形中，橫軸是與光的波長相對應(yīng)的工件高度(將從計測對象物200到頭部10的前端為止的高度設(shè)定為零)(mm)，縱軸是光的強(qiáng)度(標(biāo)準(zhǔn)化了的值)。就光譜波形而言，圖示出多個光譜的波峰，并且，與工件高度為正的一側(cè)(光的波長長的一側(cè))的光譜的半光譜幅值相比，工件高度為負(fù)的一側(cè)(光的波長短的一側(cè))的光譜的半光譜幅值更大。此外，該半光譜幅值還取決于光纖11的直徑及光纖11 一側(cè)的透鏡300的焦深。光纖11的直徑變小或透鏡300的焦深變淺，則會導(dǎo)致半光譜幅值變窄。其中，由于在計測裝置內(nèi)光纖11的直徑及光纖11 一側(cè)的透鏡300的焦深是固定的，因而不存在因工件高度而導(dǎo)致半光譜幅值的相對差異發(fā)生變化的情況。具體而言，工件高度約為-0. 6mm的光譜的半光譜幅值A(chǔ)約為0. 046mm,工件高度約為0. 6mm的光譜的半光譜幅值B約為0. 023mm。即，光譜的半光譜幅值A(chǔ)是光譜的半光譜幅值B的約2倍，隨著工件高度變小(光的波長變短)而光譜的半光譜幅值變大。此外，由于因光的波長而導(dǎo)致包含在白色光源中的光的強(qiáng)度不同，因而光譜的波峰因工件高度而變化。就以往的共焦計測裝置而言，可知由于隨著工件高度變小(光的波長變短)而光譜的半光譜幅值變大，因而，隨著工件高度變小(光的波長變短)，對計測對象物200的位移進(jìn)行計測的精度變差。接著，圖4是示出了在本發(fā)明的第一實施方式的共焦計測裝置中采用的頭部的共焦光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。在圖4所示的共焦光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，在比衍射透鏡I更靠近計測對象物200的一側(cè)配置物鏡2。即，在共焦計測裝置100中，使用衍射透鏡I來使從光纖11的端部出射的光沿其光軸方向產(chǎn)生色差，并使用物鏡2來使產(chǎn)生了色差的光會聚在計測對象物200上。就共焦計測裝置100而言，由于使用物鏡2來使光會聚在計測對象物200上，而不是使用衍射透鏡I來使光會聚在計測對象物200上，因此，根據(jù)后述的理由，能夠抑制因光的波長而導(dǎo)致的景深變化，從而抑制對計測對象物200的位移進(jìn)行計測時因光的波長而導(dǎo)致的精度變動。圖5是示出了使用本發(fā)明的第一實施方式的共焦計測裝置來對計測對象物的位移進(jìn)行計測時的光譜波形的一例的圖。在圖5所示的光譜波形中，橫軸是與光的波長相對應(yīng)的工件高度(將從計測對象物200到頭部10的前端為止的高度設(shè)定為零)(_)，縱軸是光的強(qiáng)度(標(biāo)準(zhǔn)化了的值)。就光譜波形而言，圖示了多個光譜的波峰，工件高度為正的一側(cè)(光的波長長的一側(cè))的光譜的半光譜幅值和工件高度為負(fù)的一側(cè)(光的波長短的一偵D的光譜的半光譜幅值大致相等。

具體而言，工件高度為約-0. 6mm的光譜的半光譜幅值C是約0. 025mm，工件高度為約0. 6mm的光譜的半光譜幅值D是約0. 029mm。即，光譜的半光譜幅值C與光譜的半光譜幅值D大致相等。因此，就共焦計測裝置100而言，即使工件高度(光的波長)發(fā)生變化，光譜的半光譜幅值也不容易發(fā)生變化，因而能夠抑制對計測對象物200的位移進(jìn)行計測時因光的波長而導(dǎo)致的精度變動。圖6是示出了光譜的半光譜幅值相對于工件高度的變化的曲線圖。在圖6所示的曲線圖中，圖示了表示以往的共焦計測裝置的光譜的半光譜幅值(在圖3所示的光譜的半光譜幅值)的折線a，和表示共焦計測裝置100的光譜的半光譜幅值(在圖5所示的光譜的半光譜幅值)的折線b。就折線a而言，隨著工件高度變小(光的波長變短)而光譜的半光譜幅值變大，但就折線b而言，半光譜幅值與工件高度(光的波長)無關(guān)地大致恒定。具體而言，折線a所表示的光譜的半光譜幅值，傾斜地從約0. 023mm變化至約0. 046mm,但折線b所表示的光譜的半光譜幅值以約0. 030mm為中心從約0. 023mm變化至約0. 034mm。接著，利用數(shù)學(xué)式，在理論上說明共焦計測裝置100抑制因光的波長而導(dǎo)致的景深變化，從而抑制對計測對象物200的位移進(jìn)行計測時因光的波長而導(dǎo)致的精度變動。首先，在圖4所示的共焦計測裝置100的光學(xué)系統(tǒng)中，將從光纖11的端部到衍射透鏡I為止的距離設(shè)定為a，將從衍射透鏡I到物鏡2為止的距離設(shè)定為b，將從物鏡2到通過物鏡2而聚焦的點為止的距離設(shè)定為c( X )。并且，就衍射透鏡I而言，將光的波長為入。時的焦距設(shè)定為fd(l，將有效直徑設(shè)定為9a。此外，假設(shè)距離a與焦距fd(l相等。就物鏡2而言，將焦距設(shè)定為f。，將有效直徑設(shè)定為(Pb (A)0另一方面，在圖2所示的以往的共焦計測裝置的光學(xué)系統(tǒng)中，為了計算簡單，將從光纖11的端部到準(zhǔn)直透鏡300為止的距離設(shè)定為a，將從準(zhǔn)直透鏡300到衍射透鏡400為止的距離設(shè)定為b，將從衍射透鏡400到通過衍射透鏡400而聚焦的點為止的距離設(shè)定為C(A)0并且，就準(zhǔn)直透鏡300而言，將焦距設(shè)定為fd(l。此外，假設(shè)距離a與焦距fd(l相等。就衍射透鏡400而言,將光的波長為\ ^時的焦距設(shè)定為f。，將有效直徑設(shè)定為9a。衍射透鏡400的焦距fd( X )是光的波長\的函數(shù)，若將光的波長為\ ^時的焦距設(shè)定為f。，則一般能夠利用衍射透鏡的公式來如(公式I)那樣表示。
權(quán)利要求
1.ー種共焦計測裝置，利用共焦光學(xué)系統(tǒng)來對計測對象物的位移進(jìn)行計測，其特征在干， 具有: 光源，其出射多個波長的光， 衍射透鏡，其使從所述光源出射的光，沿光軸方向產(chǎn)生色差， 物鏡，其配置在比所述衍射透鏡更靠近所述計測對象物的ー側(cè)，用于使通過所述衍射透鏡而產(chǎn)生了色差的光會聚在所述計測對象物上， 針孔，其使通過所述物鏡而會聚的光中的能夠?qū)褂谒鲇嫓y對象物上的光通過， 測定部，其以波長為單位對通過了所述針孔的光的強(qiáng)度進(jìn)行測定； 所述衍射透鏡的焦距，大于從所述衍射透鏡到所述物鏡為止的距離和所述物鏡的焦距之差。
2.根據(jù)權(quán)利要求I記載的共焦計測裝置，其特征在干， 從所述衍射透鏡到所述物鏡為止的距離，大致與所述物鏡的焦距相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2記載的共焦計測裝置，其特征在干， 所述物鏡能夠更換。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中的任一項記載的共焦計測裝置，其特征在干， 在從所述衍射透鏡到所述測定部為止的光路上具有光纖； 將所述光纖作為所述針孔來使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中的任一項記載的共焦計測裝置，其特征在干， 所述衍射透鏡具有玻璃基板和樹脂層，該樹脂層形成在所述玻璃基板的至少ー個面上，并且，該樹脂層具有使光沿光軸方向產(chǎn)生色差的圖案。
全文摘要
本發(fā)明提供利用共焦光學(xué)系統(tǒng)計測計測對象物位移的共焦計測裝置，能夠抑制在對計測對象物的位移進(jìn)行計測時因光波長而導(dǎo)致的精度變動。本發(fā)明是利用共焦光學(xué)系統(tǒng)來對計測對象物的位移進(jìn)行計測的共焦計測裝置。共焦計測裝置100具有白色LED21；衍射透鏡1，使從白色LED21出射的光沿光軸方向產(chǎn)生色差；物鏡2，配置在比衍射透鏡1更靠近計測對象物200的一側(cè)，使通過衍射透鏡1而產(chǎn)生色差的光會聚在計測對象物200上；針孔，使通過物鏡2而會聚的光中能夠聚焦于計測對象物200上的光通過；波長測定部，測定通過了針孔的光的波長。衍射透鏡1的焦距大于從衍射透鏡1到物鏡2的距離和物鏡2的焦距之差。
文檔編號G01B11/02GK102679880SQ20121002512
公開日2012年9月19日 申請日期2012年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月14日
發(fā)明者平田真理子, 早川雅之 申請人:歐姆龍株式會社