JPS63199310A - 非接触多点自動焦点位置決め方法及び装置 - 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〉 この発明は測定光束として偏光Ｈｅ−Ｎｅレーザ光線を
利用した非接触多点自動焦点位置決め方法及び装置に関
するものである。

〈従来の技術〉 様々なサイズ・形状・物性を有する対象物へ、光学的に
非接触で焦点位置合わせすることは、技術的に難しい問
題である。しかし、その非接触焦点位置合わせ技術の用
途が非常に多くあることから、今でも多くの学者が研究
を重ねている課題である。

例えば、この非接触焦点位置合わせ技術の応用用途して
は、主に以下のようなものがある。

■　対物レンズを移動させて焦点を合わせるよウニし、
且つその対物レンズをそのまま顕微鏡や望遠鏡などの光
学機器の対物レンズとして兼用すれば、それら光学機器
の自動焦点合わせ（オートフォーカス）を行える。

■　対物レンズを移動させて焦点合わせを行うようにし
、その対物レンズの移動量をエンコーダ等により数値化
すれば、その数値より対象物から対物レンズまでの距離
を非接触で計測することができると共に、三次元測定器
の非接触センサー、液体表面の自動変位測定としても応
用することができる。

■　対象物の位置（距離）合わせを行えるので、各種部
品（対象物）の所定位置への位置決め・設置を正確且つ
迅速に行うことができる。

■　上記の位置（距離）合わせを、１部品（対象物）で
複数ポイント同時に行°えば、その部品の傾斜度（垂直
度）を正確に設定することができ名。

■　反射対象物（対象物）と対物レンズ゛との間に透明
体を介在させ、その時の対物レンズの移動量と、その透
明体の屈折率から、その透明体の厚さを非接触で測定す
ることができる。

そして、本発明者はこのように有用性の弗素に高い技術
的課題を長年にわたって鋭意研究をしてきた結果として
、先に非接触自動位置合わせ装置（特願昭６０−２１４
７７３号参照）を提案した。

〈発明が解決しようとする問題点〉　　　　□しかしな
がら、この先の提案は対象物上の１箇所だけに焦点に合
わせるためのものであり、対物レンズからの距離が互い
に異なる焦点目標（目標部位）が１つの対象物中に複数
ある場合には、対象物或いは装置のいずれかを各箇所に
応じて横方向へ移動：し、個々の目標部位に対して焦点
位置合わせを行わな゛ければならなかった。特に非接触
自動位置合わせ装置を顕微鏡等に組み合わせて自動焦点
位置合わせ（オートフォーカス）を行わせる場合、いっ
たん固定した視野の中で、複数の目標部位を次々に焦点
位置合わせすることは不可能であった。例えば、半導体
製品やプラスチック製品の予め決まった凸凹のある複数
箇所を、前記顕微鏡により順に目視検査する場合などは
、その都度対象物或いは装置をその検査箇所に応じて横
方向（見ている方向に対して横方向、つまり近接・離反
方向に対する直角方向）へ移動して、検査箇所（目標部
位）を顕微鏡の視野の真ん中に位置させなければ、焦点
が合わなかった。

そこで、本発明者は対象物或いは装置を横方向に移動さ
せることなく、対象物における複数の目標部位に対して
個々に焦点位置合わせすることができる非接触多点自動
焦点位置決め装置を開発すべく、研究を更に進めた結果
、本発明（装置）を知見するに至ったものである。

〈問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するための本発明の構成を第１図（Ａ
）　（Ｂ）　（Ｃ）〜第３図（Ａ）　（Ｂ）（Ｃ）に基
づいて示す。

第１発明（特許請求の範囲第１項記載の発明）に係る非
接触多点自動焦点位置決め方法は、レーザ機構１Ｘ〜１
ｚから選択的に発した各測定光束１１〜１３としての偏
光Ｈｅ−Ｎｅレーザ光線を、対象物１０表面に複数設定
した各目標部位Ｘ〜Ｚへ照射すべく、各第１ミラー２Ｘ
〜２Ｚにて所定角度方向へ反射し、 各第１ミラーにて反射された各測定光束を、第２ミラー
３で反射した後に、対物レンズ４により屈折させて対象
物へ照射せしめ、 対象物で反射され再度対物レンズにて屈折された各測定
光束を、結像レンズ４にて各光軸１４Ｘ〜１４Ｚ上に結
像させ、 結像レンズを経た各測定光束を、対応する各光位置検出
器８Ｘ〜８Ｚにて受光し、 各測定光束が各光位置検出器のセンサー中心１８Ｘ〜１
８Ｚ以外で受光された際に発せられる位置信号に応じて
、少なくとも対象物又は対物レンズのいずれかを移動さ
せ、各目標部位と対物レンズとの距離りを各目標部位ご
と対物レンズの焦点距離Ｆに合致せしめるものであって
、 前記距離りが焦点距離Ｆに合致した状態において、前記
第２ミラーにて反射された各測定光束１１Ｃ１１２ｃ、
１３ｃと、対象物で反射され対物レンズにて再度屈折さ
れた各測定光束１１ｆ、１２ｆ、１３ｆの両方が、互い
に焦点ｐ１と対物レンズの中心点１９と各センサー中心
との３点を通過する各光軸１４Ｘ〜１４Ｚに対して平行
であるものである。

第２発明（特許請求の範囲第２項記載の発明）に係る非
接触多点自動焦点位置決め方法は、測定光束１１〜１３
としての偏光Ｈｅ−Ｎｅレーザ光線を選択的に発するレ
ーザ機構ＩＸ〜ＩＺと、該レーザ機構から発せられた各
測定光束を、対象物１０表面に複数設定した各目標部位
Ｘ〜Ｚへ照射すべく、該各目標部位に応じた各所定角度
方向へ反射する第１ミラー２Ｘ〜２Ｚと、該第１ミラー
にて反射された各測定光束を、対象物側へ反射する第２
ミラー３と、 該第２ミラーにて反射された測定光束を屈折して対象物
に照射せしめると共に、対象物で反射された測定光束を
再度屈折する対物レンズ４と、該対物レンズにて屈折さ
れた各測定光束を、屈折して各光軸上１４Ｘ〜１４Ｚに
結像させる結像レンズ５と、 対象物の各目標部位に各々対応して設けられ、前記結像
レンズを経た各測定光束を、各センサー中心１８Ｘ〜１
８Ｚ以外で受光した場合に、その受光位置に応じた位置
信号を発する光位置検出器８Ｘ〜８Ｚと、 該光位置検出器からの位置信号に応じて、少なくとも対
象物又は対物レンズのいずれがを移動させ、各目標部位
と対物レンズとの距離りを各目標部位ごと対物レンズの
焦点距離Ｆに合致せしめる焦点位置合わせ機構と、を備
えるものであって、前記距離りが焦点距離Ｆに合致した
状態において、前記第２ミラーにて反射された各測定光
束１１ｃ、１２ｃ、１３ｃと、対象物で反射され対物レ
ンズにて再度屈折された各測定光束１１ｆ、１２ｆ、１
３ｆの両方が、互いに焦点ｐ１と対物レンズの中心点１
９と各センサー中心との３点を通過する各光軸１４Ｘ〜
１４Ｚに対して平行であるものである。

〈実　施　例〉 Ｏ 以下、この発明（第１発明及び第２発明）の一実施例を
第１図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）〜第４図に示した装置に基づ
いて説明する。

この実施例に係る非接触多点自動焦点位置決め装置は、
３′台のレーザ機構ＬＸ〜ＩＺ、第１ミラー２Ｘ〜２Ｚ
、第２ミラー３、対物レンズ４、結像レンズ５、フィル
ドレンズ６、拡大レンズ７．３つの光位置検出器８Ｘ〜
８Ｚ、焦点位置合わせ機構９を備えている。そして、１
０は対象物で、その表面に対物レンズ４からの距離りが
互いに異なる目標部位ｘ、ｙ、ｚを備えている。

レーザ機構ＩＸ〜ＩＺは、各々測定光束１１〜１３とし
ての偏光Ｈｅ−Ｎｅレーザ光線、つま□り偏光されたＨ
ｅ−Ｎ’ｅレーザ光線を発するもので、それぞれ対象物
１０の各目標部位ｘ、ｙ、ｚに対応して設けられである
。そして、このレーザ機構ＩＸ〜ＩＺは、図示せぬスイ
ッチにより、任意のものだけ測定光束１１〜１３を発す
ることができる。

第１麺ラー２Ｘ〜２Ｚは、それぞれ各レーザ機構ＩＸ〜
ＩＺの出口側に配され、各レーザ機構１Ｘ〜１Ｚから発
せられた測定光束１１〜１３を、所定の角度で反射でき
るようになっ□ている。従って、各第１ミラー２Ｘ〜２
Ｚは、それぞれ別々の傾斜角度を有している。

第２ミラー３は、ハーフミラ−で、前記第１ミラー２Ｘ
〜２Ｚにて反射された測定光束１１〜１３を、それぞれ
対象物１０側にある対物レンズ４へ向けて反射する。

対物レンズ４は、前記第２ミラー３にて反射された測定
光束１１〜１３を屈折してから対象物１０へ向けて照射
させ、そして対象物１０の表面で反射された測定光束１
１〜１３を再度屈折するものである。また、この対物レ
ンズ４は後述する焦点位置合わせ機構９により、対象物
１０に対して近接・離反自在に移動するようにされてい
るものである。

結像レンズ５は、対物レンズ４にて屈折された測定光束
１１〜１３を再度屈折し、後述する各光軸１４Ｘ〜１４
Ｚ上で結像させるものである。

フィルドレンズ６は、前記結像レンズ５にて屈折された
測定光束１１〜１３を更に屈折し、各測定光束１１〜１
３が光軸１４Ｘ−１４Ｚから余り離反しないようにして
、拡大レンズ７へと導くものである。

拡大レンズ７は、フィルドレンズ６にて屈折された測定
光束１１〜１３を更に屈折して、光位置検出器８Ｘ〜８
Ｚへと導くものである。尚、フィルドレンズ６で屈折さ
れた測定光束１１〜１３が必ず拡大レンズ７にて屈折さ
れるように、結像レンズ５とフィルドレンズ６との距離
１１と、フィルドレンズ６と拡大レンズ′７との距離１
２の関係は、１＃！１＋１＃！２＝１／ｆとなっている
。

ここで、ｆはフィルドレンズ６の焦点距離である。

光位置検出器８Ｘ〜８Ｚとしては、それぞれ上側ホトセ
ンサー１５Ｘ〜１５Ｚ、下側ホトセンサー１６Ｘ〜１６
Ｚより構成されたホトダイオード（ＰＤ）を採用した。

このホトダイオード（ＰＤ）は、画像上で走査を行わず
入射光の位置情報を含んだ位置信号を得ることができ、
ＣＯＤ、ＭＯ８等の固体撮像素子に比べて、より高い分
解能を持ち高いサンプリンググレードを得ることができ
る。尚、ホトダイオード（ＰＤ）の代わりに半導体装置
検出器（ＰＳＤ）を使用することもできる。拡大レンズ
７通過後の測定光束１１〜１３を、専のセンサー中心１
８Ｘ〜１８Ｚで受光した際には位置信号をいっさい発し
ないが、センサー中心１８Ｘ〜１８Ｚからどちらか一方
にズして、上側ホトセンサー１５Ｘ〜１５Ｚ、下側ホト
センサー１６Ｘ〜１６Ｚのいずれかで受光した際には、
後述する焦点位置合わせ機構９へ位置信号を発するよう
になっている。つまり、上側ホトセンサー１５Ｘ〜１５
Ｚは、対象物１０と対物レンズ４との距離りを小さくす
る信号を焦点位置合わせ機構９へ伝え、下側ホトセンサ
ー１６Ｘ〜１６Ｚはその距離りを大きくする位置信号を
伝えるようになっている。

焦点位置合わせ機構９としては、サーボ回路によってモ
ータを駆動させる非常に動作スピードの速い「サーボ機
構」を採用した。そして、この実施例において、図示は
しないが焦点位置合わせ機構９は対物レンズ４に接続し
てあり、この対物レンズ４を移動させることにより光位
置検出器８Ｘ〜８Ｚからの位置信号に応じて、対象物１
０と対物レンズ４との距離りを調整でき、対象物１０表
面の各目標部位Ｘ−Ｘに測定光束１１〜１３の焦点ｐ１
を合致するようになっている。つまり、各目標部位Ｘ〜
Ｚと対物レンズ４との距離りを冬目ｔＭ　部位Ｘ−ｚご
と対物レンズ４の焦点距離Ｆに合致せしめるようになっ
ている。尚、この焦点位置合わせ機構９は、対象物１０
の方を移動させることもできるし、対物レンズ４と対象
物１０の両方を移動させることもできる。

この非接触多点自動焦点位置決め装置は、以上のような
全体構造をしており、対象物１０における目標部位Ｘの
焦点位置合わせを行う際には、レーザ機構ＩＸ、第１ミ
ラー２Ｘ、光位置検出器８Ｘを使用し、他の目標部位Ｙ
の焦点位置合わせを行う際には、レーザ機構ＩＹ、第１
ミラー２Ｙ、光位置検出器８Ｙを使用し、更に他の目標
部位Ｚの焦点位置合わせを行う際には、レーザ機構ＩＺ
、第１ミラー２Ｚ、光位置検出器８Ｚを各々使用するよ
うになっている。そして、各目標部位Ｘ〜Ｚの焦点位置
合わせを行う際に、各目標部位Ｘ〜Ｚおける測定光束１
１〜１３の焦点ｐ１と、対物レンズ４の中心点１９と、
対応する各光位置検出器８Ｘ〜８Ｚのセンサー中心１８
Ｘ〜１８Ｚとの３点を通過する各光軸１４Ｘ〜１４２が
、各目標部位Ｘ〜Ｚに応じて形成されるものである。

次に、作用を説明する。

まず、各目標部位Ｘ〜Ｚにおいて、それぞれ焦点位置合
わせが行なえる仕組みを基本的作用として各目標部位Ｘ
〜Ｚごと順次説明する。そして、その後に、本装置を顕
微鏡のオートフォーカス機構として利用した実際の操作
例を具体的作用として説明する。

□　基本的作用　□ 目標。位Ｘの場合〔第１（Ａ）図〜第１（Ｃ）尚、以下
測定光束１１を光路順に沿ってｌｌａ、１１ｂ、１１ｃ
ｍ・・−として説明するものとする。

（ａ）焦点が合っている状態 第１図（Ａ）は焦点が合っている状態を示している。最
初に対物レンズ４と目標部位Ｘとの距離りが、対物レン
ズ４の焦点距離Ｆと合致している場合を説明する。まず
、レーザ機構ＩＸにて光軸１４Ｘと平行に発せられた測
定光束１１ａは、第１ミラー２Ｘにて直角に反射され、
光軸１４Ｘと直角な測定光束１１ｂとなる。この測定光
束１１ｂはハーフミラ−である他の第１ミラー２Ｙ、２
Ｚを透過して第２ミラー３へ当たり、そこで反射されて
光軸１４Ｘと平行な測定光束１１ｃになる。

この測定光束１１ｃは次に対物レンズ４にて屈折され、
測定光束Ｌｉｄとなって対象物１０の目標部位Ｘに照射
される。この時、対物レンズ４と目標部位Ｘとの距離り
は、対物レンズ４の焦点距離Ｆとなっているので、測定
光束ｌｉｄの焦点ｐ１は、目標部位Ｘと合致している。

測定光束１１ｄは、目標部位Ｘにおいて入射角−反射角
の原則により反射されて測定光束ｌｉｅとなり、再度対
物レンズ４にて屈折される。この対物レンズ４にて屈折
された測定光束１１ｆは、再び光軸１４Ｘと平行な方向
へ導かれ、ハーフミラ−である第２ミラー３を透過した
のち結像レンズ５にて屈折される。結像レンズ５にて屈
折された測定光束１１ｇは、フィルドレンズ６の中心点
２０の位置に相当する光軸１４Ｘ上で結像点ｐ２を形成
した後、測定光束１１ｈとなって拡大レンズ７へと導か
れる。

このとき測定光束１１ｇはフィルドレンズ６の中心点２
０を通過ことから、屈折による方向変更なしに測定光束
１１ｈとなって拡大レンズ７へ導かれる。そして、拡大
レンズ７にて屈折された測定光束１１ｉは、光位置検出
器８Ｘのセンサー中心１８Ｘにて受光される。このよう
にセンサー中心１’　８　Ｘで測定光束１１ｉを受光し
ている状態が、焦点の合っている状態で、この場合には
、光位置検出器８Ｘに接続されている焦点位置合わせ機
構９は作動せず、対物レンズ４を何ら移動させない。

（ｂ）対物レンズが遠い状態 第１図（Ｂ）図は、目標部位Ｘと対物レンズ４との距離
りが、対物レンズ４の焦点距離Ｆより大きい場合を示し
ている。

まず、レーザ機構１から発せられた測定光束１１ａが対
物レンズ４にて屈折されるまでは、先の（ａ）の場合と
同様であるが、対物レンズ４で屈折された測定光束ｌｉ
ｄは光軸１４Ｘ上で目標部位Ｘに当たらず、光軸１４Ｘ
より上方の別の反射位置２１に当たって反射される。そ
して、この反射位置２１が対物レンズ４による測定光束
ｌｉｄの焦点ｐ１よりも遠いことから、測定光束ｌｉｅ
は先の（ａ）の場合よりも対物レンズ４の外周側で屈折
され、光軸１４Ｘとは平行でない（光軸１４Ｘに接近し
ようとする）測定光束１１ｆとなって結像レンズ５以降
へ導かれる。そして、最終的に光位置検出器８Ｘの上側
ホトセンサー１５Ｘにて受光され、焦点位置合わせ機構
９がこの上側ホトセンサー１５Ｘからの位置信号により
、対物レンズ４をＡ側へ移動させる。そして、対物レン
ズ４による測定光束ｌｉｄの焦点ｐ１が目標部位Ｘに合
致した時点、すなわち測定光束１１ｉが光位置検出器８
Ｘのセンサー中心１８Ｘで受光された時点で、対物レン
ズ４の焦点位置合わせ機構９によるＡ側への移動は終了
する。この時の対物レンズ４の位置は前記（ａ）と同じ
位置である。

（Ｃ）対物レンズが対象物に近づいて状態第１図（Ｃ）
は、目標部位Ｘと対物レンズ１０との距離りが、対物レ
ンズ４の焦点距離Ｆより小さい場合を示している。この
場合は、測定光束１１ｅが先の（ハ）とは逆に測定光束
ｌｉｄが光軸１４Ｘより下側の別の反射位置２Ｚで反射
され、そして先の（ａ）の場合よりも対物レンズ４の内
側（光軸１４Ｘ側）で屈折され、光軸１４Ｘとは平行で
ない（光軸１４Ｘから離反しようとする）測定光束１１
ｆとなって結像レンズ５以降へ導かれる。そして、最終
的に光位置検出器８Ｘの下側ホトセンサー１６Ｘにて受
光され、焦点位置合わせ機構９がこの下側ホトセンサー
１６Ｘからの位置信号により、対物レンズ４をＢ側へ移
動させる。そして、対物レンズ４による測定光束ｌｉｄ
の焦点ｐ１が目標部位Ｘに合致した時点、すなわち対物
レンズ４が先の（ａ）と同じ位置にきた時に対物レンズ
４の移動は終了する。

以上にように、対物レンズ４の位置が正規の焦点位置か
らズしていても、゛自動的に修正・是正できるようにな
っている。

標　立Ｙの場合〔第２（Ａ）図〜第２（Ｃ）図、第４図
（ａ）焦点が合っている状態 第２（Ａ）図は焦点が合っている状態である。

レーザ機構ＩＹから発せられた測定光束１２ａは、第１
ミラー２Ｙにて反射され、目標部位Ｘの場合の測定光束
１１ｂとは角度ｑ分だけズした方向から測定光束１２ｂ
として第２ミラー３へ当たる。

そして、この角度αの違いにより、第２ミラー３にて反
射された測定光束１２ｃは、この目標部位Ｙにおける光
軸１４Ｙと平行な方向へ導かれ、先の目標部位Ｘの場合
と同様に、対物レンズ４を経て目標部位Ｙにて反射され
、そして再度対物レンズ４にて屈折され光軸１４Ｙと平
行な測定光束１１ｆとなる。この測定光束１１ｆは、結
像レンズ５を経て、フィルドレンズ６中における光軸１
４Ｙ上において結像点ｐ２を形成し、そのまま拡大２ル レンズ７を経て光位置検出器８Ｙのセンサー中心１８Ｙ
にて受光される。

この目標部位Ｙの場合、前述の如く対物レンズ４と結像
レンズ５との間の測定光束１２ｃ、１２ｒが互いに光軸
１４Ｙに対して平行関係にあることから、測定光束１２
ｄの焦点ｐ１が合っている状態においては、第４図に示
されるように、目標部位Ｙを別の位置Ｙ”に平行移動さ
せても、対物レンズ４が焦点距離Ｆを隔てた状態のまま
追従して移動するので、焦点ｐ１にて反射された測定光
束１１ｇは常に同じ位置に結像点ｐ２を形成し、拡大レ
ンズ７を経た測定光束１２ｉは光位置検出器８Ｙのセン
サー中心１８Ｙにて受光される。つまり、先の光軸１４
Ｘから焦点ｐ１までの距離２３と、光軸１４Ｘから結像
点ｐ２までの距離Ｉ！、４との比は不変である。従って
、対物レンズ４からの距離が異なるどのような目標部位
Ｙ°に対しても焦点位置合わせを行うことができる。こ
のことは、一方で対物レンズ４に対して対象物１０が全
体的に接近或いは離反しようが、必ず目標部位Ｙに焦点
位置合わせを行えることも示している。従って、この対
象物１０とは異なった目標部位を有する別の対象物に対
して焦点位置合わせを行うに際しても、この装置をその
まま使用することができるし、対物レンズ４でなく対象
物１０の方を焦点位置合わせ機構９で移動させる際にも
支障はない。この点は本発明の最大の特徴点であり、こ
のことは先の目標部位Ｘ、又は後述する目標部位Ｚの場
合についても同様のことである。

（ｂ）対物レンズが遠い状態 そして、第２図（Ｂ）に示す如く、目標部位Ｙと対物レ
ンズ４との距離りが、対物レンズ４の焦点距離Ｆより大
きい場合には、前記目標部位Ｘの場合と同様に、測定光
束１２ｉが上側ホトセンサー１５Ｙにて受光されるので
、対物レンズ４をＡ側へ移動させ、対物レンズ４による
測定光束１２ｄの焦点ｐ１と目標部位Ｙとを合致させる
。

（Ｃ）対物レンズが対象物に近づいている状態そして、
第２図（Ｃ）に示す如く、目標部位Ｙと対物レンズ４と
の距離りが、対物レンズ４の焦点距ＭＦより小さい場合
は、先の（ハ）とは逆に測定光束１２＋が下側ホトセン
サー１６Ｙにて受光されるので、対物レンズ４をＢ側へ
移動させ、対物レンズ４による測定光束１２ｄの焦点・
ｐｌと目標部位Ｙとを合致させる。

目標部位Ｚの場ム〔第３（八）図〜第３（Ｃ）゛レーザ
機構ＩＺから発せられた測定光束１３ａは、第１ミラー
２Ｚにて反射され、測定光束１３ｂとなり先の目標部位
Ｙの場合とは逆の方向へ角度β分だけズした方向から第
２ミラー３へ当たる。

そして、この角度βの違１ｔ１＆こより、測定光束１３
ｄは目標部位２へ向けて照射される。

この目標部位Ｚの場合も、対物レンズ４による測定光束
１３ｄの焦点ｐ１が目標部位Ｚに合致している状態（第
３（Ａ）図参照）では、測定光束１３ｉは光位置検出器
８Ｚのセンサー中心１８Ｚ受光される。そして対物レン
ズ４が対象物１０から遠のいてズしている場合（第３（
Ｂ）図参照）は、測定光束１３ｉが上側ホトセンサー１
５７にて受光されて対物レンズ４をＡ側へ移動させ、ま
た対象物４が対象物１０に近づいてズしている場合（第
３（Ｃ）図参照）は、測定光束１３ｉが下側ホトセンサ
ー１６７にて受光されて対物レンズ４をＢ側へ移動させ
て、焦点ｐ１を目標部位Ｚに合致される。尚、この目標
部位Ｚの場合においても、対物レンズ４と結像レンズ５
との間の測定光束１３ｃ、１３ｆが互いに光軸１４２に
対して平行であることから、目標部位２の位置が、仮に
（対物レンズ４からの距離が異なる）別の位置であった
としても、焦点位置合わせすることができる。

□　具体的作用　□ 以上のように、この装置は各目標部位χ〜Ｚにおいて、
それぞれ別個に焦点位置合わせ（焦点ズレの是正）を行
うことができるので、対物レンズ４を顕微鏡の対物レン
ズとして兼用した場合、固定した１つの視野の中におけ
る複数点（この実施例の場合は３ケ所）を自動焦点位置
合わせ（オートフォーカス）することができる。

すなわち、固定した視野の中で、焦点を合わせる目標部
位Ｘ〜Ｚの変更を行うことができる。以下に目標部位Ｘ
−２を変更する場合の例を挙げる。

最初に、目標部位Ｘに焦点を合わせている状態から、こ
の目標部位Ｘよりも手前側（対物レンズ４からの距離の
小さい）目標部位Ｙに変更する場合を説明する。

まず、目標部位Ｘに焦点を合わせた状態（第１図（Ａ）
）で目標部位Ｘの観察・検査する。そして、目標部位Ｘ
の検査・観察が終了したら、次に観察者の手元に配置し
た図示せぬスイッチを切り換えて、測定光束１２ａをレ
ーザ機構ＩＹから発する。レーザ機構ＩＹから発せられ
た測定光束１２ａは、先の目標部位Ｘよりも手前側の目
標部位Ｙに当たるが、対物レンズ４の位置が目標部位Ｘ
に対応した位置のままなので、この目標部位Ｙで反射さ
れてきた測定光束１２ｉは下側ホトセンサー１６Ｙにて
受光される。従って、対物レンズ４はこの下側ホトセン
サー１６Ｙからの位置信号にて焦点位置合わせ機構９を
作動させ、対物レンズ４をＢ側へ移動させ、ちょうど焦
点ｐ１が目標部位Ｙに合致した時点で位置決めされる。

このように、この目標部位Ｙにも顕微鏡の光学的焦点が
合うことになるので、その目標部位Ｙの観察・検査を行
うことができる。尚、以上のことは手前側の目標部位に
変更する場合、すなわち目標部位Ｘ→目標部位Ｚ、目標
部位Ｙ→目標部位Ｚの場合でも同様である。

次に逆の場合、すなわち目標部位Ｙに焦点を合わせてい
る状態から、この目標部位Ｙよりも遠い（対物レンズ４
からの距離の大きい）目標部位Ｘに変更する場合を説明
する。

この場合は、図示せぬスイッチにより測定光束１１ａを
レーザ機構ＩＸから発するように切り換える。そうする
と、目標部位Ｘの方が目標部位Ｙよりも対物レンズ４か
ら遠いので、測定光束１１ｄの焦点ｐ１が目標部位Ｘに
合致せず、目標部位Ｘにて反射されたｌｌｉは上側ホト
センサー１５Ｘにて受光される。従って、対物レンズ４
はＡ側へ目標部位Ｘを追いかけるように移動し、焦点が
あった位置で停止する。このことは、遠くの目標部位に
変更する場合、すなわち目標部位２→目標部位Ｙ、目標
部位Ｚ→目標部位Ｘの場合も同様である。このように１
つの固定した視野の中で、手元のスイッチを切り変える
だけで、３つの目標部位Ｘ〜Ｚの何れにも焦点を合わせ
ることができる。

次にレーザ機構ＩＸ−ＩＺからの測定光束１１〜１３の
発し方を第５図（Ａ）〜第５図（Ｃ）に示した実施例に
基づいて説明する。

各レーザ機構ＩＸ〜ＩＺの出口側に、各レーザ機構１Ｘ
〜１Ｚからの測定光束１１〜工３に対応する開閉口２３
Ｘ〜２３Ｚを形成自在な遮蔽板２４を設ける。そして、
図示せぬスイッチによりその開閉口２３Ｘ〜２３Ｚが各
々開閉するようにしである。また、各開閉口２３Ｘ〜２
３Ｚに対応する部分には各々測定光束１１〜１３を感知
するセンサー（ホトカプラー）２５Ｘ〜２５Ｚが設けで
ある。尚、このセンサー２５Ｘ〜２５Ｚは、各開閉口２
３Ｘ〜２３Ｚを開けた際に、測定光束１１〜１３と対応
する位置から外れて測定光束１１〜１３を感知しないよ
うになっている。そして、３つのレーザ機構ＩＸ〜１ｚ
からは全て測定光束１１〜１３を発した状態にしておく
。従って、観察者は図示せぬスイッチを操作して、所望
の開閉口２３Ｘ〜２３Ｚを開けることにより、測定光束
２３Ｘ〜２３Ｚの中から必要なものだけを発することが
できる。また、前記センサー２６Ｘ−Ｌ２５Ｚにより、
今どの測定光束１１〜１３が発せられているか（どれが
塞がれているか）を、スイッチ手元の図示せぬ表示機構
により知ることができ、図示せぬスイッチ機構の操作性
を高めるようにしである。更に、このセンサー２５Ｘ〜
２５Ｚをコンピュータと電気的に接続し、各開閉口２３
Ｘ〜２３ｚの開く順序及び開（時間をコンピュータによ
り自動制御することもできる。

次にレーザ機構１Ｘ〜１Ｚからの測定光束１１〜１３の
発し方の別の実施例を第６図に基づいて説明する。

この実施例は、１台のレーザ機構１で測・走光束１１ａ
〜１３ａを発するようにした例である。つまり、１台の
レーザ機構１から発せられた測定光束１２ａを、３つの
ハーフミラ−２６Ｘ〜２６Ｚにて分岐するものである。

まず、レーザ機構１から発せられた測定光束１１ａは、
最下のハーフミラ−２６Ｘに当たって、反射するものと
、透過するものとに分かれる。透過したものはそのまま
目標部位Ｘ用の測定光束１１ａとして第１ミラー？Ｘに
て・反射される。そして、前記ハーフミラ−Ｘにて反射
されたものは、直ぐ真上のハーフミラ−２５Ｙに当たり
、そこでも反射するものと透過するものに分かれる。反
射したものは目標部位Ｙ用の測定光束１２ａとして第１
ミラー２Ｙにて反射される。そして、透過したものは、
またすぐ上のハーフミラ−２５Ｚにて反射され、目標部
位Ｚ用の測定光束１３ａとして第１ミラー２Ｚにて反射
される。このようにして、一本の平行な測定光束１１ａ
を３本の平行な測定光束１１　ａ　％　１２　ａ　５１
３ａとし、遮蔽板２４の各センサー２５Ｘ〜２５Ｚ付き
開閉口２３Ｘ〜２３Ｚにより、測定光束１１ａ、１２ａ
、１３ａの中から必要なものだけ選択・照射できるよう
になっている。その他は先の実施例と同様である。

尚、以上において、本装置を顕微鏡等のオートフォーカ
ス機構として利用する例を示したが、冒頭にも述べた如
き他の用途に適用することができる。また、１つの対象
物１０に３つの目標部位Ｘ〜Ｚがある例を示したが、２
つ或いは、３つ以上の目標部位がある対象物に対しても
各目標部位毎に焦点位置合わせを行うことができる。

〈効　　　果〉 この発明（第１発明及び第２発明）に係る非接触多点自
動焦点位置決め方法及び装置は以上説明してきた如き内
容のものなので、以下に示す如き種々の効果を奏するこ
とができる。

（ａ）１つの対象物表面に対物レンズからの距離が互い
に異なる複数の目標部位があっても、対物レンズ或いは
対象物を各目標部位に応じて横方向へ移動させることな
く、各目標部位に対して焦点位置合わせを行うことがで
きる。従って、本装置を光学機器のオートフォーカスに
利用した際には、１つの固定した視野の中で（−眼で）
複数の目標部位の焦点位置合わせを行うことができる。

しかも対物レンズと結像レンズとの間の測定光束が光軸
に対して互いに平行関係にあることから、対物レンズか
らの距離が異なるどのような目標部位に対しても焦点位
置合わせを行うことができる。

（ｂ）　　測定光束として偏光Ｈｅ−Ｎｅレーザ光線を
採用したので、他のレーザ光線に比べて光束が細いうえ
に集光スポットが非常に小さく広がらないので、その分
、光位置検出器での位置検出を高精度（高分解能）で行
えるものである。この偏光Ｈｅ−Ｎｅレーザ光線の集光
スポットの径は対物レンズの倍率にもよるが、大体１μ
〜１００μと非常に小さいものである（つまり、焦点位
置合わせ精度が高い）。

また、この発明の実施例によれば、 （Ｃ）測定光束の変位を拡大レンズで拡大するので、小
さな変位も見逃さずに正確に拡大し、その後光位置検出
器にて位置検出するので、高精度の位置検出を実現する
ことができる。従って、対物レンズと対象物との間隔が
大きく焦点精度が低下しやすい状況であっても、高精度
の焦点位置合わせを実現することができる（つまり、焦
点位置合わせ精度が高い）。

（ｄ）　　光位置検出器としてのホトダイオード（ＰＤ
）は、検出した測定光束のスポットの重心位置を出力す
るだけなので、輝度分布が変化しても影響を受けず、対
象物の表面における輝度分布（コントラスト）によって
焦点位置合わせ精度が影響を受けない（つまり、耐ノイ
ズ性、測定の確実性が高い）。

（ｅ）　　光位置検出器としてホトダイオード（ＰＤ）
を採用し、且つ焦点位置合わせ機構としてサーボ機構を
採用したので、平均１０ｓｓｅｃの素早い動作で、光学
機構と対象物との間の距離を調整することができる（つ
まり、焦点位置合わせ速度が速い）。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、目標部位Ｘに焦点があっている状態を
示すこの発明（第１発明及び第２発明）の一実施例に係
る本装置の概略説明図、第１図（Ｂ）は、目標部位Ｘか
ら対物レンズが遠のいてズしている状態を示す第１図（
Ａ）相当の概略説明図、 第１図（Ｃ）は、目標部位Ｘに対物レンズが接近しすぎ
ている状態を示す第１図（Ａ）相当の概略説明図、 第２図（Ａ）は、目標部位Ｙに焦点があっている状態を
示すこの発明（第１発明及び第２発明）の一実施例に係
る本装置の概略説明図、第２図（Ｂ）は、目標部位Ｙか
ら対物レンズが遠のいてズしている状態を示す第２図（
Ａ）相当の概略説明図、 第２図（Ｃ）は、目標部位Ｙに対物レンズが接近しすぎ
ている状態を示す第２図（Ａ）相当の概略説明図、 第３図（Ａ）は、目標部位Ｚに焦点があっている状態を
示すこの発明（第１発明及び第２発明）の一実施例に係
る本装置の概略説明図、第３図（Ｂ）は、目標部位Ｚか
ら対物レンズが遠のいてズしている状態を示す第３図（
Ａ）相当の概略説明図、 第３図（Ｃ）は、目標部位Ｚに対物レンズが接近しすぎ
ている状態を示す第３図（Ａ）相当の概略説明図、 第４図は、第２図（Ａ）において対物レンズが目標部位
Ｙに追従して移動する場合を示す概略説明図、 第５図（Ａ）〜第５図（Ｃ）は、各々測定光束の発し方
の別の実施例を示す概略説明図、そして、第６図は、測
定光束の発し方の更に別の実施例を示す概略説明図であ
る。 ＩＸ、ＩＹ、ＩＺ　　−レーザ機構 ２Ｘ、２Ｙ、２Ｚ　　−・　　第１ミラー３−　第２ミ
ラー ４−　対物レンズ ５　・・−結像レンズ ６−　フィルドレンズ ７−　拡大レンズ ８Ｘ、８Ｙ、８Ｚ　　、−−一　結像レンズ９−・−焦
点位置合わせ機構 １０−・　対象物 ｌＬ１２．１３　−・−測定光束 １４Ｘ、１４Ｙ、１４Ｚ　　、−−一　光軸１５Ｘ、１
５Ｙ、１５ｚ・−上側ホトセンサー１６Ｘ、１６Ｙ、１
６Ｚ−・　下側ホトセンサー１８Ｘ、　１８Ｙ、　１８
ｚ−（！　ン４ｊ−中心１９−・−対物レンズの中心点 ２０　　・−フィルドレンズの中心点 Ｘ、Ｙ、Ｚ　　−目標部位 α　−測定光束１２ｂの角度 β　−測定光束１３ｂの角度 Ｌ　　−対物レンズと対象物の距離 Ｆ　−対物レンズの焦点距離

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ機構１Ｘ〜１Ｚから選択的に発した各測定
   光束１１〜１３としての偏光Ｈｅ−Ｎｅレーザ光線を、
   対象物１０表面に複数設定した各目標部位Ｘ〜Ｚへ照射
   すべく、各第１ミラー２Ｘ〜２Ｚにて所定角度方向へ反
   射し、 各第１ミラーにて反射された各測定光束を、第２ミラー
   ３で反射した後に、対物レンズ４により屈折させて対象
   物へ照射せしめ、 対象物で反射され再度対物レンズにて屈折された各測定
   光束を、結像レンズ４にて各光軸１４Ｘ〜１４Ｚ上に結
   像させ、 結像レンズを経た各測定光束を、対応する各光位置検出
   器８Ｘ〜８Ｚにて受光し、 各測定光束が各光位置検出器のセンサー中心１８Ｘ〜１
   ８Ｚ以外で受光された際に発せられる位置信号に応じて
   、少なくとも対象物又は対物レンズのいずれかを移動さ
   せ、各目標部位と対物レンズとの距離Ｌを各目標部位ご
   と対物レンズの焦点距離Ｆに合致せしめるものであって
   、 前記距離Ｌが焦点距離Ｆに合致した状態において、前記
   第２ミラーにて反射された各測定光束１１ｃ、１２ｃ、
   １３ｃと、対象物で反射され対物レンズにて再度屈折さ
   れた各測定光束１１ｆ、１２ｆ、１３ｆの両方が、互い
   に焦点ｐ１と対物レンズの中心点１９と各センサー中心
   との３点を通過する各光軸１４Ｘ〜１４Ｚに対して平行
   であることを特徴とする非接触多点自動焦点位置決め方
   法。
2. （２）測定光束１１〜１３としての偏光Ｈｅ−Ｎｅレー
   ザ光線を選択的に発するレーザ機構１Ｘ〜１Ｚと、 該レーザ機構から発せられた各測定光束を、対象物１０
   表面に複数設定した各目標部位Ｘ〜Ｚへ照射すべく、該
   各目標部位に応じた各所定角度方向へ反射する第１ミラ
   ー２Ｘ〜２Ｚと、 該第１ミラーにて反射された各測定光束を、対象物側へ
   反射する第２ミラー３と、 該第２ミラーにて反射された測定光束を屈折して対象物
   に照射せしめると共に、対象物で反射された測定光束を
   再度屈折する対物レンズ４と、該対物レンズにて屈折さ
   れた各測定光束を、屈折して各光軸上１４Ｘ〜１４Ｚに
   結像させる結像レンズ５と、 対象物の各目標部位に各々対応して設けられ、前記結像
   レンズを経た各測定光束を、各センサー中心１８Ｘ〜１
   ８Ｚ以外で受光した場合に、その受光位置に応じた位置
   信号を発する光位置検出器８Ｘ〜８Ｚと、 該光位置検出器からの位置信号に応じて、少なくとも対
   象物又は対物レンズのいずれかを移動させ、各目標部位
   と対物レンズとの距離Ｌを各目標部位ごと対物レンズの
   焦点距離Ｆに合致せしめる焦点位置合わせ機構と、を備
   えるものであって、前記距離Ｌが焦点距離Ｆに合致した
   状態において、前記第２ミラーにて反射された各測定光
   束１１ｃ、１２ｃ、１３ｃと、対象物で反射され対物レ
   ンズにて再度屈折された各測定光束１１ｆ、１２ｆ、１
   ３ｆの両方が、互いに焦点ｐ１と対物レンズの中心点１
   ９と各センサー中心との３点を通過する各光軸１４Ｘ〜
   １４Ｚに対して平行であることを特徴とする非接触多点
   自動焦点位置決め装置。