JPH04113305A - 焦点合わせ装置 - 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］ 本発明は焦点合わせ装置に関し、詳しくは対象物の表面
形状を観察あるいは撮像する光学機器と該対象物との焦
点を合わせる焦点合わせ装置に関する。

［従来技術］ 従来から、顕微鏡等の光学機器により対象物の表面を観
察する場合、焦点合わせ用の光（測定用光線束）を対象
物に照射し、その反射光の位置に基づいて焦点合わせが
行われている。例えば、第４図に示すように、光ビーム
Ｌを対物レンズＴの軸心からずらして入射させ、対象物
Ｗの表面から反射した光ビームＬをビームスプリッタＳ
て反射させて２分割受光素子Ｐに照射する。この２分割
受光素子Ｐに照射される光ビームＬのスポット位置は、
対象物Ｗの表面の位置に応じて、２分割受光素子Ｐの分
割線Ｐ１を垂直方向に移動する。したがって、２分割受
光素子Ｐの各素子の差信号をとると、焦点のずれに応じ
た出力か得られる。そして、この信号に基づいて焦点合
わせが行われている。

しかしなから、第４図に示すように、例えば、対象物Ｗ
Ｏ２点に光ビームＬが照射されており、このａ点での焦
点合わせを行った場合には、対象物の位置か２１から２
２に移動調節され、スポット位置がｂ点に移動してしま
う。このため、焦点を合わせようとした位置（ａ点）と
、実際に焦点合わせかなされた位置（ｂ点）とにすれｄ
が生じてしまい、結局す点での焦点合わせがなされたこ
とになってしまう。即ち、対象物Ｗ表面のスポット位置
に狙いを定めて焦点合わせを行っても、スポット位置か
移動するため所望の位置での焦点合わせか行われないの
である。ａ点とｂ点との高さが同じであれば問題は無い
か、段差等により高さか異なっていればａ点での焦点は
ずれてしまう。

この問題を解決するために、本出願人は次のような装置
を案出するに至ったのである。

即ち第５図に示すように、フレームＦには光学式ユニッ
ト１が対象物Ｗ載置用のステージ３に対してパルスモー
タＰＭにより接近離間可能に支持されており、その光学
式ユニット１には対象物Ｗ観察用の対物レンズ５及びＣ
ＣＤカメラ７か備えられている。そしてこの光学式ユニ
ット１には自動焦点合わせを行うための光源（半導体レ
ーザ）９か設けられ、その光源９からは波長か赤外領域
の測定用光線束が射出される。射出された測定用光線束
は、その光軸と直交する方向の断面か真円になるように
補正レンズ等で補正されており、ビームスプリッタ１１
を通過してダイクロツクミラ１３で対物レンズ５の軸心
を通るように反射されて対象物Ｗに到達する。

対象物Ｗの表面で反射した光束は対物レンズ５を通過し
てダイクロツクミラー１３でビームスプリッタ１１に向
けて反射する。ここで、ダイクロツクミラー１３は、赤
外光を反射し、可視光を透過させる特性を有しているの
でＣＣＤカメラ７による対象物Ｗの観察には支障を来た
さない。また、ビームスプリッタ１１は、入射光の反射
率と透過率との割合が５０％すっである。

ダイクロツクミラー１３からの反射光はビームスプリッ
タ１１で反射されて円筒レンズ１５を透過した後に４分
割受光素子１７に受光される。

４分割受光素子１７に受光された測定用光線束の対象物
Ｗからの反射光の断面形状は、対物レンズ５と円筒レン
ズ１５とにより非点収差が発生するため、第６図（ａ）
〜（ｃ）に示すように変化する。即ち、対象物が対物レ
ンズ５の焦点位置に配置された時の４分割受光素子１７
に受光された反射光の断面形状が第６図（ｂ）に示すよ
うに円となるように４分割受光素子１７を位置決め固定
しておけは、対象物Ｗが焦点位置に対して近い時は断面
形状は縦長の楕円となり、逆に対象物Ｗが焦点位置に対
して遠い時は断面形状は横長の楕円となる。

この形状変化に基づいて４分割受光素子１７の各素子の
受光量が変化するので、４分割受光素子１７の対角線方
向に対向する素子毎の受光量をそれぞれ加算し、２つの
加算値の大小判別を行えば、対象物か焦点位置に対して
遠いか近いかが判定可能となる。

本出願人による開発装置は、この判定結果を利用してパ
ルスモータＰＭを駆動して焦点合わせを行うものであり
、これにより焦点合わせ動作にかかわらず焦点合わせ位
置を一定にすることが可能となった。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、」二連の開発装置においても次のような
問題点が発見された。

即ち、前記開発装置は、外形が正方形をした４分割受光
素子の２本の対角線のうち、一方の対角線（縦線）を、
測定対象物が焦点位置に対して近く移動した時に４分割
受光素子」二に形成される測定光線束（反射光）の縦楕
円形状（結像形状）の長軸に対して正確に一致させなけ
ればならないことである。

これは、装置組立時に、円筒レンズや４分割受光素子の
位置決め作業を正確に行わなけれはならず、組立作業が
わずられしく、時間のかかるものである。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、その目的は、焦点合わせ動作にかかわらず焦
点合わせ位置を一定にし得、しかも装置組立時に従来必
要とされていた４分割受光素子の位置決め作業が不要な
焦点合わせ装置を提供するにある。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するため本発明は、対象物の表面形状を
観察あるいは撮像する光学機器と該対象物との焦点を合
わせる焦点合わせ装置において、上記光学機器の対物レ
ンズの軸心を光軸として上記対象物に測定用光線束を照
射する光源と、上記対象物からの反射光を円筒レンズを
通過させて受光し、反射光の形状を撮像する撮像手段と
、その撮像手段により撮像された反射光の形状に基づい
て上記焦点のずれを検出する焦点ずれ検出手段と、上記
検出した焦点のずれに応じて、上記対象物と上記対物レ
ンズとの距離を変更する距離変更手段とを備えている。

［作用］ 本発明においては、光源からの測定用光線束は対物レン
ズの軸心を通って対象物に照射される。

測定用光線束は対象物にて反射しその反射光は対物レン
ズ及び円筒レンズを透過して撮像手段に受光される。ず
れ検出手段は、測定用光線の反射光の結像形状に基づい
て焦点のずれを検出し、距離変更手段は検出された焦点
のずれに応じて対象物と対物レンズとの距離を変更する
。

［実施例コ 以下、本発明を形状測定装置に具体化した一実施例を参
照してその詳細を説明する。

形状測定装置は、光学式ユニット１と合焦制御装置５０
とから構成される。

光学式ユニット１は、ステージ３に載置されたワーク（
対象物）Ｗの表面を撮像するもので、ステージ３に対向
して設けられ着脱可能な対物レンズ５と、対物レンズ５
の軸心と整合するＣＣＤカメラ７とを備える。そして、
ＣＣＤカメラ７の焦点を合わせるために以下に示す光学
式機構を備える。

まず、焦点合わせ用の光源９が設けられる。この光源９
には、半導体レーザ、ＬＥＤ等が用いられ、その射出す
る光の波長は、赤外範囲に設定されている。この光源９
の射出方向にはビームスプリッタ−１が配設され、更に
、対物レンズ５の軸心と交わる位置にはダイクロツクミ
ラー１３が配設される。

光源９から射出した光束は、ビームスプリッタ１１を透
過してダイクロツクミラー１３に入射し、そこで９０度
方向に反射して、対物レンズ５を透過する。従って、ワ
ークＷ表面には光源９からの光束が照射され、光源９の
断面形状（本実施例では円）に応じたスポットが形成さ
れる。尚、この光束の軸と対物レンズ５の軸心とが一致
するように、上記の光学機構は構成されている。

ワークＷ表面を反射した光束は、対物レンズ５を通過し
た後、ダイクロツクミラー１３でビームスプリッタ１１
に向けて反射する。ダイクロツクミラー１３は、反射光
と透過光とが異なった分光特性を持ち、対物レンズ５か
らの光束が、可視光であれば透過し赤外光であれば反射
する。ただし、赤外光の反射率は１００％でなく、僅か
の割合で透過する。従って、ＣＣＤカメラ７には、ワー
クＷ表面からの可視光と焦点合わせ用赤外光とが入射す
る。そして、ＣＣＤカメラ７のモニタ画面（図示路）に
は、ワークＷの表面形状と焦点合わせ用光束のスポット
とが重なって映し出される。

ダイクロツクミラー１３から反射した光束は、ビームス
プリッタ１１で反射する。この反射した光束の光路には
、円筒レンズ１５．撮像手段としてのＣＣＤカメラ１７
が所定圧離隔てて配設される。

円筒レンズ１５は、１つの方向にはレンズとして働くが
、もう１つの方向にはレンズ効果がない。

このため、以下に示すように、焦点のずれに応じてＣＣ
Ｄカメラ１７の受光素子に照射されるスポット形状が変
化する。

第２図（ア）に示すように、ｂ位置に配置されたワーク
Ｗ表面からの反射光が対物レンズＬ１により結像される
像位置をｑとする。非点収差を与えるために対物レンズ
Ｌ１の後方に円筒レンズＬ２を置き、円筒レンズＬ２に
よる結像位置をｐとする。この場合、ｐ、　　ｑ間のＳ
点における光束の断面形状は円形となる。このため、ワ
ークＷ表面をａ位置にずらした場合には、Ｓ点での断面
形状は、同図（イ）に示すように横方向に長い楕円形状
となり、逆には、Ｃ位置にずらした場合には、同図（１
）に示すように縦方向に長い楕円形状となる。従って、
光束の断面か同図（つ）に示すように円形となる場合を
合焦時として、Ｓ点に結像面りを配置すれば、焦点のず
れに応じて、結像面りに照射される光束のスポット形状
（結像形状）か変化する。

この光束のスポット形状（結像形状）をＣＣＤカメラ１
７で撮像して形状判別を行うことにより焦点のずれを検
出することかできる。

光学式ユニット１は、ワークＷを載置するステラ３に対
して、」二下方向（第１図矢印Ａ方向）に摺動可能に設
けられる。この光学式ユニット１の位置は、フレームＦ
に固定されたステッピングモータ１９により設定される
。即ち、ステッピングモータ１９の回転をホールネジ２
１に伝達して、光学式ユニット１自身を」二下方向に駆
動するのである。従って、ステッピングモータ１９の回
転により、ステージ３と光学式ユニット１との離隔、即
ち、ワークＷ表面と対物レンズ５との離隔が変更され焦
点合わせを行うことかできる。

合焦制御装置５０は、周知の算術論理演算回路を構成す
るＣＰＵ５１．ＲＯＭ５２．ＲＡＭ５３と、ＣＣＤカメ
ラ７．１７からの画像データを記憶するビデオ・ＲＡＭ
　（Ｖ・ＲＡＭ）５４と、入出力インタフェース５５と
、これらを相互に接続するバス５６と、ステッピングモ
ータ１９を駆動するモータドライバ５７とを備える。ま
た、入出力インタフェース５５には、ＣＣＤカメラ７．
１７およびモータドライバ５７が接続される。

次に合焦制御装置５０が実行する合焦制御処理について
第３図のフローチャートを参照して説明する。

この制御ルーチンは、操作スイッチ（図示せず）の操作
によりスタートする。操作スイッチがオンされると、Ｃ
ＰＵ５１は光学式ユニット１に装着されている対物レン
ズ５の種類に応じたオフセット値の入力を待つ（ステッ
プＳ１）。このオフセット値の入力は、使用される対物
レンズ毎に色収差が異なるため、即ち、対物レンズ毎に
可視光による焦点位置と合焦制御に使用される赤外光に
よる焦点位置が異なるため、そのずれ爪をオフセット値
として入力するものである。この入力の方式としては、
前記ずれ量をテンキー等により直接入力する方式や、使
用される対物レンズ毎に種別コドとずれ量とを予めメモ
リに記憶させておき、種別コードをテンキー等により入
力する方式や、種別コードのテンキー人力に換えて対物
レンズの保持筒に標識を付しておき、標識を検知するこ
とにより種別コードを入力する方式等、種々のものを採
用することができる。

ステップＳ１のオフセット値の入力が終了すると、ＣＰ
Ｕ５１はＣＣＤカメラ１７により測定用光線束の対象物
Ｗからの反射光を撮像し、その画像データをＶ−ＲＡＭ
５４に記憶させる（ステップＳ２）。

この後、ＣＰＵ５１は画像データから測定用光線束の結
像の輪郭線を抽出し、その輪郭線を表す点列データを記
憶する。そして輪郭線を表す点列データ（結像形状）に
基づき、ＣＰＵ５１は輪郭線の形状か円か否か判別しく
ステップＳ３）、肯定判断の時は赤外光（測定用光線束
）においては合焦と判断し、前記ステップＳ１において
入力されたオフセット値たけ光学式ユニット１をステー
ジ３に対して移動させるようにパルスモータ１９を駆動
する（ステップＳ４）。これにより可視光を受光するＣ
ＣＤカメラ７は鮮明な対象物Ｗ表面の画像を撮像するこ
とができる。

一方、前記ステップＳ３において否定判断の場合、ＣＰ
Ｕ５１は輪郭線の形状が縦長楕円か否か判断しくステッ
プＳ５）、肯定判断の時はワーク（対象物）Ｗが焦点位
置よりも近くに存在すると判断してワークＷと対物レン
ズ５との距離を離す方向にパルスモータ１９を１ステツ
プ駆動しくステップＳ６）、前記ステップＳ２の処理に
戻る。

これに対し前記ステップＳ５において否定判断の場合は
ＣＰＵ５１は輪郭線の形状が横長楕円でありワークＷが
焦点位置よりも遠くに存在すると判断してワークＷと対
物レンズとの距離を近づける方向にパルスモータ１９を
１ステツプ駆動しくステップＳ７）、前記ステップＳ２
の処理に戻る。

このように、前記ステップＳ２．Ｓ３．Ｓ５゜Ｓ６．Ｓ
７を繰り返すことにより合焦制御が行われる。

尚、本発明は前述の実施例にのみ限定されるものではな
く、その趣旨を逸脱しない範囲内においてのみ種々の変
更が可能である。例えば本実施例においては光学式ユニ
ット１を上下させることにより合焦させていたが、ステ
ージ３を上下させることにより合焦させる形式に変更す
ることができる。また、対物レンズ５として、可視光及
び赤外光の波長にわたり色収差をゼロに補正したものを
使用する場合は、前記ステップＳｌ、Ｓ４のオフセット
値はゼロに設定すればよい。

［発明の効果コ 以上詳述したように、本発明は、光源からの測走用光線
束が対物レンズの軸心を通って対象物に照射され、その
反射光が対物レンズ及び円筒レンズを透過して撮像手段
に受光され、ずれ検出手段が反射光の結像形状に基づい
て焦点のずれを検出し、距離変更手段が検出された焦点
のずれに応じて対象物と対物レンズとの距離を変更する
ように構成されているため、焦点合わせ動作にかかわら
ず焦点合わせ位置を一定にし得るとともに、従来必要と
されていた４分割受光素子の位置決め作業が不要で光学
系の組立てが容易に短時間で実行し得るという効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体化した一実施例の形状測定装置を
示すもので、その概略構成図、第２図は焦点ずれを検出
する原理を示す説明図、第３図は合焦制御ルーチンを示
すフローチャート、第４図は従来の焦点合わせ装置の原
理を示す説明図、第５図は改良された従来の焦点合わせ
装置の概略構成図、第６図は第５図の改良装置における
焦点合わせの原理を示す説明図である。 図中、１は光学式ユニット、３はステージ、５は対物レ
ンズ、９は半導体レーザ（光源）、１５は円筒レンズ、
１７はＣＣＤカメラ（撮像手段）、１９はパルスモータ
、５０は合焦制御装置、Ｗはワーク（対象物）である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対象物の表面形状を観察あるいは撮像する光学機器
   と該対象物との焦点を合わせる焦点合わせ装置において
   、 上記光学機器の対物レンズの軸心を光軸として上記対象
   物に測定用光線束を照射する光源と、上記対象物からの
   反射光を円筒レンズを透過させて受光し、反射光の形状
   を撮像する撮像手段と、その撮像手段により撮像された
   反射光の形状に基づいて上記焦点のずれを検出する焦点
   ずれ検出手段と、 上記検出した焦点のずれに応じて、上記対象物と上記対
   物レンズとの距離を変更する距離変更手段と を備えたことを特徴とする焦点合わせ装置。