JPH01158302A - オートフオーカス機構付光学測定機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野１ 本発明は、オートフォーカス機構付光学測定機に係り、
特に、投影機や測定顕微鏡等に用いるのに好適な、オー
トフォーカス機構を備えた光学測定機の改良に関するも
のである。 【従来の技術】 投影機や測定顕微１１等の光学測定機においては、作業
者の負担を減らし、測定作業の迅速化を図るために、各
種のオートフォーカス機構が提案されている。 出願人も特開昭６０−８４５２２で、投影画作のエツジ
検出用の４分割された受光素子を含むエツジ検出装置の
出力信号のなまりから、逆に測定対象物が投影レンズ系
に対して合焦されているか否かを検出するようにしたオ
ートフォーカス機構を提案している。 このオートフォーカス機構は、具体的には、測定対象物
自体のエツジ部分の像と、エツジ検出装置のセンサ部と
を相対的に撮動させて、出力されるエツジ検出信号であ
るＳカーブ曲線が、合焦時に最大振幅となり、非合焦時
に小さな振幅となることを利用したもので、前記Ｓカー
ブ曲線を観察しながら測定対象物を載せた載物台を上下
して、前記Ｓカーブ曲線の変化率が最も大きくなるとこ
ろで載物台を固定するようにしたものである。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら、特開昭６０−８４５２２で提案したオー
トフォーカスＱ　４Ｍは、測定対象物自体のエツジ部分
の像を利用して合焦を行うＩａ横であるため、次のよう
な問題点を有していた。 ■測定対象物のエツジ部の像を、エツジ検出装置のセン
サの前面に移動させるまでの移動時間が必要である。 ■測定対象物を載置した載物台又はセンサのいずれかを
機械的に振動させる必要があり、合焦までに時間が多く
かかる。 ■センサを振動させる場合には、ｍ構が複雑化し、一方
、載物台を振動させるとずれば、特に測定対象物が重い
場合等、載物台の駆動モータ等に過度の負担がかかる。

【発明の目的】

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、測定対象物自体のエツジ部分を利用することなく
、合焦を行うことかできるオートフォーカス機構付光学
測定機を提供することを目的とする。

【問題点を解決するための手段】

本発明は、測定対象物を載置する載物台と、測定対象物
を照明するための照明系と、測定対象物の像を結像面上
に形成する結像光学系と、前記載物台と結像光学系を結
像光学系の光軸に沿って相対変位させる駆動装置とを含
んで構成される光学測定機において、エツジ部分を有し
、その像が前記結像光学系を通して測定対象面上に形成
されるように配設されたパターンフィルタと、前記結像
面近傍に配設され、該パターンフィルタのエツジ部分の
像の、前記結像光学系による再形成像が、その前面を横
切る時に、その明暗の変化に応じて変化する焦点信号を
出力するセンサと、前記パターンフィルタを振動させる
と共に、この振動に応じた同期信号を出力する加振器と
、該加振器を動作させつつ、前記焦点信号の信号変化量
が最大となるように前記駆動装置を動作させるυ制御回
路とを備え、前記焦点信号の信号変化ｍが最大となる位
置で測定対象物が合焦されていると判定することによっ
て、前記目的を達成したものである。

【作用】

本発明においては、従来の測定対象物のエツジ部分を合
焦に用いる代わりに、振動するエツジパターン像を測定
対象面上に投影して合焦に用いるようにしている。即ち
、載物台上に載置した測定対象物の測定対象面に、振動
するエツジパターン像を結像させ、そのパターン像の更
なる像をセンサで受け、該センサ出力信号の信号変化措
が最大となる位置で測定対象物が合焦されていると判定
するようにしている。従って、測定対象物自体のエツジ
部の像をエツジセンサの前面に移動させる必要がない。 又、エツジセンサ又は載物台を■械的に振動させる必要
がない。従って、機構もｉｐ純であり、駆動モータ等に
過度の負担がかかることもない。

【実施例】

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。 本発明の第１実施例は、第１図に示ず如く、測定対象物
を載置する載物台１０と、測定対象物を照明するための
落射照明系１２と、前記載物台１０と投影レンズ１４を
含む結像光学系を、該投影レンズ１４の光軸Ｘに沿って
相対移動させるＺ軸駆動装置１６とを含んで構成される
落射照明方式の反射型投影検査機に本発明を適用したも
のである。 前記載物台１０は、２軸駆動装置１６のＺ軸駆動回路１
６Ａの出力によって回転駆動されるＺ軸モータ１６Ｂに
よって、上下方向（Ｚ方向）に変位づるようにされてい
る。 前記載物台１０は、又、Ｘ軸駆動回路（図示省略）の出
力によって回転駆動されるＸ軸モータ１８及びＹ軸駆動
回路（図示省略）の出力によって回転駆動されるＹ軸モ
ータ２０により、それぞれＺ方向と垂直なＸ方向及びＹ
方向に移動可能とされており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の
位置が、それぞれＸ軸検出器１９及びＹ軸検出器２１に
よって検出されている。 前記載物台１０上に載置された測定対象物の測定対象面
８には、例えばランプ及び集光レンズを含む前記落射照
明系１２から、ハーフミラ−２４を介して照明光が照射
されている。 この落射照明系１２による照明光の一部に、本発明に係
るパターンフィルタとしてのナイフェツジ２６の像２６
Ａが重畳される。即ち、オートフォーカスに利用するた
めの、明暗のコントラストを持ったパターン光を照射す
るためのナイフェツジ２６が設けられており、加振器２
８によって撮動させられている。 この加振器２８は、例えば圧電素子や音叉撮動器で構成
されており、ナイフェツジ２６の振動の上死点Ｂ及び下
死点Ａで、加振器２８に内蔵された光スィッチ等から同
期信号ｄ１（下死点Ａに対応）、ｄ２（上死点Ｂに対応
）が生成される（第２図参照）。 前記ナイフェツジ２６は、例えばレーザダイオード（Ｌ
Ｄ＞３０で照明されており、補助レンズ３２、ミラー３
４及び前記落射照明系１４の光路中に挿入されたハーフ
ミラ−３５によって、前記落射照明系１２の光学系に重
畳されている。従って、該ナイフェツジ２６の＠２６Ａ
も、前記ハーフミラ−２４によって反射され、投影レン
ズ１４により、測定対象物上の測定対象面８に結像され
る。但し、このナイフェツジの像２６Ａは、測定対象面
８が合焦面ＦＰにあるときは合焦されているが、測定対
象面８が上下に変位すると焦点ずれ像となる。 測定対象面８における測定対象物の像及びナイフェツジ
の像２６Ａは、前記結像レンズ１４及びハーフミラ−２
４を介してスクリーン３６上の結像面ＩＰに投影される
。従って、測定対象面８が合焦面ＦＰから上下に変位す
ると、該スクリーン３６上の結像面ＩＰに形成されるナ
イフェツジの再形成１１１２６Ｂも焦点ずれのした像と
なる。 前記スクリーン３６上の、前記ナイフェツジの再形成像
２６Ｂが形成される位置、例えば中央位置には、例えば
透明固定板４０によって、センサ４２が固定されている
。 このセンサ４２は、第２図に詳細に示す如く、例えば向
応円上に２分割された受光索子４２Ａ。 ４２Ｂと、その出力を処理するプリアンプ４４Ａ１４４
Ｂと、該プリアンプ４４Ａ、４４Ｂ出力の検出信号ａ、
ｂを入力し、差動増幅値としての焦点信号Ｃを得る差動
増幅器４６とを含んで構成されている。 前記センサ４２の検出信号ａ及び差動増幅器４６出力の
焦点信号Ｃから、測定対象物の凹凸に対応した反射像の
明暗のコントラストによってエツジ信号（パルス）ｍを
発生するためのエツジ信号発生回路４８は、例えば出願
人が特開昭６１−１２８１０５で開示した如く、載物台
１０のＸ−Ｙ方向の移動によって、一定の領域内で焦点
信号Ｃが零を横切るときにエツジ信号ｍを生成する機能
を有する。なお、具体的な構成は特開昭６１−１２８１
０５に開示されているので、詳細な説明は省略する。 制御回路５０は、前記センサ４２出力の焦点信号Ｃから
焦点を検出するための、本発明に係る焦点検出回路５２
と、前記Ｚ軸駆動回路１６ＡにＺ軸の速度設定を与える
ための２軸速度設定回路５４と、中央処理ユニット（Ｃ
ＰＵ）５６と、システムバス５８とを含んでもが成され
ている。 前記焦点検出回路５２は、第２図に詳細に示した如く、
ダイオード、コンデンサ、スイッチ及び高入力抵抗の演
算増幅器を含んで構成されるピークホールド回路５２Ａ
と、該ピークホールド回路５２Ａ出力のピークホールド
信号ｇをデジタル信号に変換するためのアナログ−デジ
タル（Ａ／Ｄ）変換器５２Ｂと、該Ａ／Ｄ変換器５２Ｂ
出力を順次ラッチする２つのラッチ回路５２Ｇ、５２Ｄ
と、前記ラッチ回路５２Ｇ、５２Ｄ出力の隣り合うピー
ク値Ｈ，Ｉを比較する比較回路５２Ｅと、該比較回路５
２Ｅの出力信号ｊの立ち下がりで合焦信号にであるパル
スを発生するパルス発生回路５２Ｆと、前記加振器２８
から同期信号ｄ、、ｄ２を入力するためのオアゲート５
２Ｇと、該オアゲート５２Ｇの出力である同期信号ｅを
遅延させて同期信号ｆとする遅延回路５２Ｈとを含んで
構成され県喝。 この′焦点検出回路５２において、ピークホールド信号
ＱのＡ／Ｄ変換値は、オアゲート５２Ｇから入力される
同期信号ｅのタイミングでラッチされてピーク値Ｈとな
り、該ピーク値Ｈは前記同期（ｉ　＠ｅによって更新さ
れて行く。一方、同時にラッチ回路５２Ｄでラッチされ
るピーク値Ｉは、前記ピーク値Ｈに対して同期信号ｅの
１周期分だけ冠れた埴となり、比較回路５２Ｅでは、前
記ピークホールド信号０の同期信号ｅの隣り合うパルス
でラッチされ°光信号Ｈ，Ｉの大小が比較され、Ｈく■
のとき、その出力信号ｊがｒＩＪ、Ｈ≧１のとき、その
出力信号ｊが「０」とされる。又、この信号ｊの立ち下
がりで、パルス発生回路５２Ｆから、合焦信号であるｋ
がパルスとして出力される。 前記載物台１０の近傍には、第１図に示す如く、近接ス
イッチ６０が配設されており、この近接スイッチ６０か
らは、載物台１０が下降して゛下死点へに到達したとき
にオンとなる信号ｎが出力され、システムバス５８を介
してＣＰＬＪ５６に入力される。 ＯｉＪ記加振器２８とＣＰＵ５６とは、ＣＰＵ５６がら
出力される、加振を行わせるための加振信号ａと、前記
加振器２８から出力される、ナイフェツジ２６が下死点
へにあることを知らせる同期信号ｄ１によって接続され
ている。 前記ＣＰＵ５６からＺ軸速度設定回路５４へは、Ｚ軸駆
動回路１６Ａを介してＺ軸方向に載物台１０を高速又は
低速で送り、あるいは載物台１０を停止させるための速
度信号０が出力されている。 第１図において、６２はキーボード、６４は表示器、６
６はプリンタである。 以下、第３図及び第４図を参照して、第１実施−の作用
を説明する。 第３図は、前記ナイフェツジ２６が第２図の下死点Ａか
ら上死点Ｂまで振れ、更に下死点Ａまで戻ったときのセ
ンナ４２の検出信号ａ、ｂ、焦点信号Ｃ及びエツジ信号
ｍの関係の例を示したものである。 焦点信号ｃｔ、ｔａ−ｂで表現されるため、第３因に示
したようなＳカーブ曲線となり、測定対象面８が合焦面
ＦＰにあるときはＣ３となってその信９変化ｆｕＡＰ（
振幅）が最大となるが、一方、載物台１０が合焦面から
上下して測定対象面８が合焦面から外れるに従って、ｃ
２、ｃｌとその信号変化ＰＡＰが減少する。従って、焦
点信号Ｃが０３のような状態となったところを合焦位置
と判定することができる。 第４図は、合焦を行うときの各部信号波形の例を示した
ものである。 まず、載物台１０を近接スイッチ６０から信号ｎが発生
される下死点位置まで下降する。次いで、速度信号０を
正値として、載物台１０を高速で上昇させる。すると、
解除信＠ｔ　（同期信号ｅの遅延信号）のタイミング（
第４図のＦ等）で、ピークホールド信号９が解除される
。焦点信号ＣがビークＣａｔを越すと、ピーク値Ｈ＜１
からＨ≧Ｉとなり（第４図Ｅｌ）、１回目の合焦信号ｋ
が出力される。このときは、高速送りのため多少合焦位
置から上に行き過ぎているので、速度信号０を変化させ
て載物台１０を低速で下降させる。そして、焦点信号Ｃ
がビークＣ３２を越して、再び合焦信号ｋが得られたと
ころで（第４図Ｅ２）、合焦と判定して速度信号０を零
とし、加振信号ぶも零とり′る。 一方、エツジ検出は、載物台１０のＸ−Ｙ方向への移動
によって、測定対象物の反射像の明暗のコントラストの
検出によって行うが、具体的な作用は特開昭６１−１２
８１０５に開示されているので、詳細な説明は省略する
。 本実施例においては、前記制御回路５０が、前記焦点信
号Ｃのピークホールド（ｉｌｇを、前記同期信号ｆのタ
イミングで逐次保持するピークホールド回路５２Ａと、
該保持された隣接する焦点信号０のピーク値Ｈ，Ｉの大
小を比較する比較回路５２Ｅとを含み、該比較回路５２
Ｅの出力が反転するタイミングで合焦信号ｋを励起する
焦点検出回路５２を備えたものとしているので、比較的
ｌ￥？Ｉｑｉな回路構成で、合焦位置を確実に検出する
ことができる。なお、焦点検出回路の構成はこれに限定
されず、前記焦点信号Ｃの信号変化ｆｆ１ＡＰが最大と
なったことを検出できるものであれば、他の構成であっ
てもよい。 又、本実施例においては、パターンフィルタとしてナイ
フェツジ２６を用いているので、パターンフィルタのｈ
９？１成が極めて簡略である。 なお、パターンフィルタの構成はこれに限定されず、第
５図に示す第２実施例の如（、ガラスディスク７０に中
心をずらした円を蒸着して、そのエツジパターン７２を
エツジ部としたものを用いてもよい。 この第２実施例においては、前記ガラスディスク７０を
、加振器としてのパルスモータ７４で回転すると、エツ
ジ部がレーザダイオードＬＤの照射領域３０Ａで振動す
る如くなるので、本発明の振動するエツジパターンとし
て用いることが可能となる。 第５図にＪ３いて、７６は、ＣＰＵ５６がらシステムバ
ス５８を介して入力される加振信号ぶに応じて前記パル
スモータ７４を回転するための駆動回路、７８Ａ１７８
Ｂは、前記ガラスディスク７０の周縁部に形成された同
期用マーク８ｏを照射するための発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）、８２Ａ。 ８２Ｂは前記ガラスディスク７０を通った前記ＬＥＤ７
８Ａ、７８Ｂの光をそれぞれ受光して同期信号ｄ１、ｄ
２を生成するための受光素子、８４Ａ、８４Ｂはプリア
ンプ、８６Ａ、８６Ｂは反転器である。 この第２実施例においては、ガラスディスク７０を回転
させるだけで振動するパターンが発生できるので、回転
バランスが良く、光学系等に往復振動による悪影響を及
ぼす恐れがない。 又、前記第１実施例においては、前記パターンフィルタ
としてのナイフェツジ２６が、測定対象物を照明するた
めの落射照明系１２によって照明されているので、照明
系の構成が簡略である。 なお、パターンフィルタを照明する構成はこれに限定さ
れず、前記落射照明系１２とは別異に設けた照明系によ
って照明することも可能である。 この場合には、センサの受光感度に合わせた波長が選択
できるので、検出精度を高めることが可能となる。 なお、測定対象物を照明するための照明系の構成は前記
実施例の落射照明系１２に限定されず、透過型の投影検
査機等にも本発明を適用づることができる。透過型の場
合は、測定対象物を除いて測定対象面にパターンフィル
タの像が結像するように、下部からパターンフィルタを
投影すればよい。 又、前記第１実施例においては、前記センサ４２が、同
君円上に分割された２個の受光素子４２Ａ、４２Ｂと、
該２個の受光素子４２Ａ、４２Ｂの出力の差を演算する
差動増幅器４６とを含んで構成され、該差動増幅器４６
の出力を前記焦点信号Ｃとしているので、センサの構成
が簡略であり、しかも、エツジセンサも兼用できるので
、全体構成が簡略である。なお、センサの種類は、これ
に限定されず、例えば出願人が特開昭６０−８４５２２
で開示した、４分割された受光素子を含むエツジセンサ
を用いたり、エツジ検出にオートフォーカス用とは別個
のセンサを設けることも可能である。又、センサのみを
投影機の内部に設けてもよい。 エツジ検出に別異のセンサを用いる場合には、本発明に
係るオートフォーカス用のセンサとして、第６図に示す
第３実施例の如く、２個の受光索子９０Ａ１９０Ｂを隣
接して設け、該２個の受光素子９０Ａ、９０Ｂの出力の
差を演算する、前記第１実施例と同様の差動増幅器４６
を設け、該差動増幅器４６の出力を焦点信号Ｃとするこ
とができる。図において、４４Ａ、４４Ｂは、前記第１
実施例と同様のプリアンプである。 この第３実施例における焦点信号波形は、第７図に示す
如くとなるので、焦点信号の振幅ＡＰが最大となること
から、航記第１実施例と同様にして合焦位置（Ｃ３）を
検出することが可能である。 この第３実施例においては、センサの構成が簡略であり
、オートフォーカス機構を安価に構成できる。

【発明の効果】

以上説明した通り、本発明によれば、測定対象物自体の
エツジ部分を用いることなく、合焦を行うことができる
。従って、測定対象物のエツジ部の像をセンサ前面に移
動させる必要がなく、合焦までの時間を短縮することが
できる。又、機械的にセンサ又は載物台を振動させる必
要がなく、合焦が迅速に行えるだけでなく、機構が単純
化でき、更に、載物台の駆動モータ等に過度の負担がか
かることがないという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るオートフォーカス！ＩＩ構付光
学測定機の第１実施例の全体構成を示す、−部所面図を
含むブロック線図、第２図は、第１実施例のセンサと制
御回路を詳細に示す、一部ブロック線図を含む、第１図
の■−■線に沿う断面図、第３図は、第１実施例の焦点
信号の例を示す線図、第４図は、同じく各部信号波形の
例を示す線図、第５図は、本発明の第２実施例で用いら
れている加振器とパターンフィルタの構成を示ず、一部
ブロック線図を含む斜視図、第６図は、本発明の第３実
施例で用いられているセンサの構成を示す、一部ブロッ
ク線図を含む平面図、第７図は、第３実施例の焦点信号
の例を示す線図である。 ８・・・測定対象面、 ＦＰ・・・合焦面、 １０・・・載物台、 １２・・・落射照明系、 １４・・・投影レンズ、 １６・・・２軸駆動装置、 ２６・・・ナイフェツジ（パターンフィルタ）、２６Ａ
・・・ナイフェツジの像、 ２６Ｂ・・・ナイフェツジの再形成像、２８・・・加振
器、 ３０・・・レーザダイオード（ＬＤ）、３６・・・スク
リーン、 ＩＰ・・・結像面、 ４２・・・センサ、 ４２Ａ、４２Ｂ・・・受光素子、 ４６・・・差動増幅器、 Ｃ・・・焦点信号、 ５０・・・あり御回路、 ５２・・・焦点検出回路、 ５２Ａ・・・ピークホールド回路、 ５２Ｇ、５２Ｄ・・・ラッチ回路、 ５２Ｅ・・・比較回路、 ５２Ｆ・・・パルス発生回路、 ５６・・・中央処理ユニット（ＣＰＵ）、ぶ・・・加振
信号、 ９・・・ピークホールド信号、 ｋ・・・合焦信号、 Ｈ，Ｉ・・・ピーク値、 ７０・・・ガラスディスク、 ７２・・・エツジパターン、 ７４・・・パルスモータ、 ９０Ａ、９０Ｂ・・・受光素子。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定対象物を載置する載物台と、測定対象物を照
   明するための照明系と、測定対象物の像を結像面上に形
   成する結像光学系と、前記載物台と結像光学系を結像光
   学系の光軸に沿つて相対変位させる駆動装置とを含んで
   構成される光学測定機において、 エッジ部分を有し、その像が前記結像光学系を通して測
   定対象面上に形成されるように配設されたパターンフィ
   ルタと、 前記結像面近傍に配設され、該パターンフィルタのエッ
   ジ部分の像の、前記結像光学系による再形成像が、その
   前面を横切る時に、その明暗の変化に応じて変化する焦
   点信号を出力するセンサと、前記パターンフィルタを振
   動させると共に、この振動に応じた同期信号を出力する
   加振器と、該加振器を動作させつつ、前記焦点信号の信
   号変化量が最大となるように前記駆動装置を動作させる
   制御回路とを備え、 前記焦点信号の信号変化量が最大となる位置で測定対象
   物が合焦されていると判定することを特徴とするオート
   フォーカス機構付光学測定機。
2. （２）前記制御回路が、前記焦点信号のピーク値を、前
   記同期信号のタイミングで逐次保持するピークホールド
   回路と、該保持された隣接する焦点信号のピーク値の大
   小を比較する比較回路とを含み、該比較回路の出力が反
   転するタイミングで合焦信号を励起する焦点検出回路を
   備えている特許請求の範囲第１項記載のオートフォーカ
   ス機構付光学測定機。
3. （３）前記パターンフィルタが、前記照明系によつて照
   明されている特許請求の範囲第１項又は第２項記載のオ
   ートフォーカス機構付光学測定機。
4. （４）前記パターンフィルタが、前記照明系とは別異に
   設けられた照明系によつて照明されている特許請求の範
   囲第１項又は第２項記載のオートフォーカス機構付光学
   測定機。
5. （５）前記センサが、同芯円状に分割された２個の受光
   素子と、該２個の受光素子の出力の差を演算する差動増
   幅器とを含んで構成され、該差動増幅器の出力が前記焦
   点信号とされている特許請求の範囲第１項乃至第４項の
   いずれか一項記載のオートフォーカス機構付光学測定機
   。
6. （６）前記センサが、隣接して配置された２個の受光素
   子と、該２個の受光素子の出力の差を演算する差動増幅
   器とを含んで構成され、該差動増幅器の出力が前記焦点
   信号とされている特許請求の範囲第１項乃至第４項のい
   ずれか一項記載のオートフォーカス機構付光学測定機。