CN106908386A - 光学拾取装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明实施例的光学拾取装置包括：光源，输出光束；辐射光学系统，将从光源输出的光束投射到测量目标上；成像光学系统，会聚并成像由测量目标反射的光束；光接收部分，接收由成像光学系统成像的光束；以及峰值分离部分，当假设由测量目标的第一表面和第二表面反射的光束为第一反射光束和第二反射光束时，关于光接收部分中辐射光学系统与测量目标之间的距离，分离第一和第二反射光束的光强的峰值。

Description

光学拾取装置

技术领域

本发明涉及在显微镜等中采用的光学拾取装置。

背景技术

作为在显微镜等中采用的光学拾取装置的焦点检测方法之一，已知刀口法(例如，JPH7-129977A)。该刀口法是通过三角棱镜等分割从工件反射的光束而得到光束的光强分布、并从该光强分布信息获得工件相对于物镜的聚光位置的位置(焦点位置)的方法。

然而，尽管一方面该刀口法具有焦点检测范围宽的优点，但是在该刀口法中，当对玻璃等的透明体的工件执行焦点检测时，最终两个反射面(即，表面和背面)被包含在该焦点检测范围中。因此，刀口法具有由这两个反射面生成的焦点检测信号最终混合并且更容易出现焦点误差的问题。

有鉴于该问题作出了本发明，并且本发明的目的在于提供一种实现对透明体的工件的高精度聚焦的光学拾取装置。

发明内容

根据本发明实施例的一种光学拾取装置包括：光源，输出光束；辐射(irradiation)光学系统，将从光源输出的光束投射到测量目标上；成像光学系统，会聚并成像由测量目标反射的光束；光接收部分，接收由成像光学系统成像的光束；以及峰值分离部分，当假设由测量目标的第一表面和第二表面反射的光束为第一反射光束和第二反射光束时，关于光接收部分中辐射光学系统与测量目标之间的距离，分离第一和第二反射光束的光强的峰值。

通过在本实施例中在光接收部分斜向接收从测量目标的工件反射的光束，本实施例使得由工件表面反射的光束和由工件背面反射的光束的在光接收部分中的光强的峰值分离，即使工件是透明体也是如此。因此，本实施例使得可以提供一种光学拾取装置，其中能够减小在对透明体的工件的焦点检测期间的焦点误差，并且实现高精度聚焦。

附图说明

图1是示出根据第一实施例的光学拾取装置的配置的视图。

图2是示出根据同一实施例的光学拾取装置的工件中的光束的反射状态的视图。

图3是示出根据同一实施例的光学拾取装置的、在线传感器的光接收元件的位置与信号强度之间的关系的曲线图。

图4是示出根据同一实施例的光学拾取装置的另一配置的视图。

图5是示出根据同一实施例的光学拾取装置的另一配置的视图。

图6是示出根据同一实施例的光学拾取装置的另一配置的视图。

图7是示出根据第二实施例的光学拾取装置的配置的视图。

图8是示出根据同一实施例的光学拾取装置的、在从半导体激光器输出的光束的辐射角与光强之间的关系的曲线图。

图9是示出根据第三实施例的光学拾取装置的配置的视图。

图10是示出根据同一实施例的光学拾取装置的、在工件中的光束的反射状态与由线传感器对光束的光接收状态的视图。

图11是示出根据同一实施例的光学拾取装置的、在线传感器的光接收元件的位置与信号强度之间的关系的曲线图。

图12是示出根据比较示例的光学拾取装置的工件中的光束的反射状态的视图。

图13包括各自示出根据比较示例的光学拾取装置的、在线传感器的光接收元件的位置与信号强度之间的关系的曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图描述根据本发明实施例的光学拾取装置。

[第一实施例]

首先，将描述根据第一实施例的光学拾取装置120的配置。

图1是示出根据本实施例的光学拾取装置的配置的视图。

光学拾取装置120采用刀口法作为焦点检测方法。光学拾取装置120包括：作为光源的半导体激光器101；在半导体激光器101与作为测量目标的工件102之间提供的辐射光学系统；以及在工件102与光接收部分之间提供的成像光学系统。辐射光学系统由被布置在从半导体激光器101至工件102的Z方向上的准直透镜103和物镜105配置。成像光学系统由从工件102至光接收部分布置的分束器104、成像透镜106和作为反射镜的三角棱镜107配置。

从半导体激光器101输出的光束L转换为平行光，然后由物镜105聚光以投射到工件102的测量面上。由工件102的测量面反射的光束L穿过物镜105，并由分束器104反射以进入成像透镜106并被成像透镜106会聚。此外，该光束L由三角棱镜107分割为两个方向，然后成像在配置光接收部分的两个线传感器108A和108B的光接收面上。线传感器108A和108B中的每一个包括光接收面，其具有在其中的X方向上排列的多个光接收元件。

在下面的描述中，线传感器108A和108B有时也被简称为“线传感器108”，除非需要指明。将要由工件102反射的光束L有时也被称为“辐射光束”，并且已经被工件102反射的光束L有时也被称为“反射光束”。此外，由线传感器108检测的反射光束的光强有时也被称为“信号强度”。

现在，三角棱镜107是通过作为测量目标的工件102上的聚焦状态改变线传感器108中的成像形式的光学部件。三角棱镜107被布置为使得其顶角部分中的一个107a面向成像透镜106侧以位于成像透镜106的光轴上。结果，由成像透镜106会聚的反射光束L被上下分割以被线传感器108接收。此外，线传感器108被布置为使得光接收面的位置与物镜的焦点位置处于共轭关系。注意，在图1的示例中，在三角棱镜107中将反射光束L分割为两个以被线传感器108A和108B接收，但是可以省略这些线传感器108A和108B中的一个。

此外，光学拾取装置120包括遮光板121，其遮蔽在光束L的光路上的包括光束L的光轴的特定范围L’。该遮光板121用作峰值分离部分，其在对透明体的工件102的焦点检测中，分离工件102的表面的反射光束与工件102的背面的反射光束的信号强度分布的峰值位置。在下面的描述中，包括光束L的光轴的特定范围L’有时将被称为“要调节的范围”。在图1中，通过斜线示出要调节的范围L’。注意，在图1的示例中，遮光板121被布置在分束器104与物镜105之间，但是如果其在光束L的光路上，则其也可以被布置在半导体激光器101与线传感器108之间的任何位置。

接下来，将使用根据比较示例的光学拾取装置100描述光学拾取装置120的优点。现在，光学拾取装置100具有这样的配置，其从光学拾取装置120排除了遮光板121。

图12是示出根据比较示例的光学拾取装置的工件中的光束的反射状态的视图。图12示出工件10被多达光束L的一半辐射的情况，以便光学拾取装置100中的刀口法的特征变得明显。

图12是玻璃等的透明体已经被用作工件102、并且工件102的表面102a的位置合焦(in focus)的示例。如图12所示，当工件102是玻璃等的透明体时，并非所有辐射光束L都被工件102的表面102a反射，并且辐射光束L中的一部分透射到背面102b。结果，最终反射光束L包括：辐射光束L中被表面102a反射的分量La；以及辐射光束L中被背面102b反射的分量Lb。在下面的描述中，由表面102a反射的分量La有时也将被称作“表面反射光束”，并且由背面102b反射的分量Lb有时也将被称作“背面反射光束”。

图13包括各自示出根据比较示例的光学拾取装置的、在线传感器的光接收元件的位置与信号强度之间的关系的曲线图。在图13所示的曲线图中的每一个中，水平轴是线传感器108的光接收元件中的每一个的X方向的位置，并且垂直轴是信号强度。线传感器108的光接收元件中的每一个的X方向的位置对应于在辐射光学系统与工件102之间的Z方向的距离。此外，图13中的A示出表面反射光束La的信号强度，图13中的B示出背面反射光束Lb的信号强度，并且图13中的C示出反射光束L的整体信号强度。

在执行工件102的表面102a的焦点检测的情况下，反射光束L的背面反射光束Lb基本是表示噪声的分量。换言之，为了更精确执行工件102的表面102a的焦点检测，从反射光束L的信号移除背面反射光束Lb的信号变得重要。

在此方面，在光学拾取装置100的情况下，表面反射光束La和背面反射光束Lb都是沿着光束L的光轴被反射，因此，如图13中的A和B所示，其信号强度分布的峰值位置Xa和Xb在线传感器108的相同位置X1重合。此外，在图12的情况下，背面102b未合焦，因此背面反射光束Lb的信号强度分布最终在X方向变宽。结果，如图13中的C所示，以位置X1作为其峰值的表面反射光束La和背面反射光束Lb的信号强度分布重叠，并且反射光束L的信号强度最终分布在宽的范围中。因此，变得难以分离工件102的表面102a的焦点检测所需的表面反射光束La的信号与表示噪声的背面反射光束Lb的信号。换言之，光学拾取装置100导致当执行具有背面反射的透明体的工件102的表面102a的焦点检测时变得更容易出现焦点误差。

出现该问题的主要原因之一在于刀口法的焦点检测范围宽，因此，工件102的两面(即，表面102a和背面102b)最终被包含在该焦点检测范围内。

因此，将考虑采用针孔共焦法而不是刀口法的光学拾取装置。这里所称的针孔共焦法是针孔和光接收部分被布置在反射光束的光路上、并且光接收部分仅仅检测反射光束的光量的方法。在该针孔共焦法中，焦点检测范围与刀口法相比更窄，因此针孔共焦法使得可以仅捕获由工件的表面反射的反射光束。该光学拾取装置使得可以避免如在光学拾取装置100中的光接收部分中混合表面反射光束的信号与背面反射光束的信号。然而，当采用针孔共焦法时，焦点检测范围变窄，因此与当采用刀口法时相比，便利性更受损。

因此，将进一步考虑刀口法和针孔共焦法可切换的光学拾取装置。该光学拾取装置使得可以当工件不是透明体时通过刀口法执行焦点检测，并且当工件是透明体时通过针孔共焦法执行焦点检测。结果，该光学拾取装置使得可以在对透明体的工件的焦点检测期间减少出现焦点误差，同时维持宽焦点检测范围。

然而，该光学拾取装置具有以下三个问题。首先，刀口法和针孔共焦法必须根据工件的类型切换。换言之，必须确定在要经历焦点检测的工件中是否可能出现背面反射，并且必须依赖于该确定的结果切换两个系统。具体地，当光学拾取装置没有被提供用于确定工件的类型的功能时，该确定必须由用户自己执行。其次，在针孔共焦法的情况下，即使知道工件是否合焦，也不知道相对于焦点位置的偏离方向。换言之，在针孔共焦法中，不能执行所谓的复制自动聚焦。第三，为了实现两个系统的切换，光束必须以一些形式或另一些形式分支。因此，反射光束的信号强度最终降低。具体地，透明体的工件首先具有低反射度，因此反射强度变得越来越弱。

在此方面，光学拾取装置120使得能够获得以下优点。

图2是示出根据本实施例的光学拾取装置的工件中的光束的反射状态的视图。图2示出工件102被多至光束L的一半辐射的情况，以便光学拾取装置120中的刀口法的特征变得明显。此外，图3是示出根据本实施例的光学拾取装置的、在线传感器的光接收元件的位置与信号强度之间的关系的曲线图。在图3所示的曲线图中，水平轴是线传感器108的光接收元件中的每一个的X方向的位置，并且垂直轴是信号强度。线传感器108的光接收元件中的每一个的X方向的位置对应于在辐射光学系统与工件102之间的Z方向的距离。

作为光学拾取装置120的结果，遮光板121通过遮蔽光束L的要调节的范围L’来调节光强，因此，如图2所示，光束L斜向投射到工件102或线传感器108上。在此情况下，如图3所示，表面反射光束La和背面反射光束Lb的信号强度分布的峰值位置Xa和Xb表现为分离到光束L的要调节的范围L’被遮蔽的一部分的程度。换言之，与光学拾取装置100相反，光学拾取装置120使得可以容易地检测表面反射光束La的信号强度分布的峰值。

从上面，光学拾取装置120使得可以减少在对透明体的工件的焦点检测期间的焦点误差的出现，而维持宽焦点检测范围的刀口法的优点。此外，光学拾取装置120使得可以与工件102的类型无关地采用刀口法，因此，在刀口法与针孔共焦法之间的切换变得不必要。

接下来，将描述根据本实施例的光学拾取装置的修改示例。

图4至图6是示出根据本实施例的光学拾取装置的其他配置的视图。图4至图6所示的配置中的与图1所示的配置类似的配置被分配与图1相同的符号。

图4是包括用于观测工件102的图像观测系统142的光学拾取装置140的示例。光学拾取装置140除了包括光学拾取装置120的配置之外，还包括布置在光束L的光路上的分束器104与物镜105之间的分束器141。该分束器141被包括在成像光学系统中。该分束器141分离由工件102反射的反射光束L的一部分，以将反射光束L的分离部分提供至图像观测系统142。然而，图像观测系统142不能采用已经遮蔽要调节的范围L’之后的光束L。因此，在光学拾取装置140的情况下，遮光板121必须被布置在光束L的光路上的分束器141与线传感器108之间。在图4的示例的情况下，遮光板121被布置在成像透镜106与三角棱镜107之间。

图5和图6是通过构思三角棱镜107而调节禁用光束L的要调节的范围L’的光学拾取装置160和180的示例。

在光学拾取装置160的情况下，三角棱镜107的顶角部分107a被涂覆有遮光材料161，其遮蔽光束L以防止光束L被反射。该遮光材料161用作峰值分离部分。在此情况下，从成像透镜106辐射的要调节的范围L’的光束不被反射，因此，结果，禁用光束L的要调节的范围L’。

光学拾取装置180替代包括三角棱镜107而包括三角棱镜181，其已经在其中形成仅允许光束L的要调节的范围L’不变地通过的路径。该三角棱镜181用作峰值分离部分。由于该光学拾取装置180，光束L的要调节的范围L’停止到达线传感器108，因此，结果，禁用光束L的要调节的范围L’。注意，即使三角棱镜107被沿光束L的光轴分割并且每个部分被布置在要调节的范围L’的外部，但是其与三角棱镜181类似地操作。

上述光学拾取装置140、160和180是本实施例的示例，但是在所有这些装置中，在到达线传感器108之前，能够禁用光束L的要调节的范围L’。结果，所有这些装置都能够分离线传感器108中的表面反射光束La与背面反射光束Lb的信号强度分布的峰值，与光学拾取装置120类似。

如上所述，本实施例使得可以提供一种光学拾取装置，其减小在对透明体的工件的焦点检测期间的焦点误差，同时维持宽范围焦点检测范围的刀口法的优点。

[第二实施例]

第一实施例描述了一种光学拾取装置，其通过采用遮光板等作为峰值分离部分，此后禁用从半导体激光器输出的光束的要调节的范围。相反，第二实施例将描述光学拾取装置200，其调节从半导体激光器输出的光束的特性自身。

图7是示出根据本实施例的光学拾取装置的配置的视图；并且图8是示出从同一光学拾取装置的半导体激光器输出的光束的光强相对于辐射角的曲线图。图7所示的配置中的与图1所示的配置类似的配置被分配与图1相同的符号。

光学拾取装置200通过由半导体激光器210替代光学拾取装置100的配置中的半导体激光器101来配置。半导体激光器201不仅用作光接收部分，而且用作峰值分离部分。如图8所示，该半导体激光器201在光束L的光轴方向假设为0°的情况下，输出具有从光轴外围部分变弱的光强的光束L，在光轴外围部分中，辐射角θ具有相对于辐射角为θ＝0°的光轴的特定值。结果，从半导体激光器101输出期间的辐射光束L的由图7的斜线所示的要调节的范围L’的光强被调弱，因此，与另一范围相比，要调节的范围L’相对被禁用。结果，因为反射光束L斜向投射到工件102和光学拾取装置中的线传感器108上，所以光学拾取装置200使得可以分离表面反射光束La与背面反射光束Lb的信号强度分布的峰值，与光学拾取装置120类似，即使当工件102是透明体时也如此。

从上面，本实施例使得通过采用在接近光束的光轴方向输出具有变弱的光强的光束的半导体激光器，可以获得与第一实施例的优点类似的优点。

[第三实施例]

第一和第二实施例描述了光学拾取装置，其中光束的要调节的范围被禁用或者接近光轴的光强变弱。相反，第三实施例将描述光学拾取装置300，其通过利用棱镜对光束的折射，分离线传感器中的反射光束的信号强度分布的峰值。

图9是示出根据本实施例的光学拾取装置的配置的视图。

光学拾取装置300除了包括光学拾取装置100的配置之外，还包括棱镜310A和310B，其被布置在光束L的光路上的成像光学系统的三角棱镜107与线传感器108A和108B之间，并且其折射反射光束L。在下面的描述中，棱镜301A和301B有时也被简称为“棱镜301”，除了当需要指明时外。棱镜301中的每一个具有：入射面301a，其在三角棱镜107侧在X方向斜向延伸；以及出射面301b，其在线传感器108侧在X方向上延伸。每个棱镜301用作峰值分离部分。

图10是示出根据本实施例的光学拾取装置的、在工件中的光束的反射状态(图10中的A)、以及线传感器对光束的光接收状态(图10中的B和C)的视图。图10中的A示出工件102被光束L的多达一半辐射的情况，以便光学拾取装置300中的刀口法的特征变得明显。图10中的B是与表面反射光束La有关的视图；并且图10中的C是与背面反射光束Lb有关的视图。此外，图11是示出根据本实施例的光学拾取装置的、线传感器的光接收元件的位置与信号强度之间的关系的曲线图。在图11所示的曲线图中，水平轴是线传感器108的光学接收元件中的每一个的X方向的位置，并且垂直轴是信号强度。线传感器108的光接收元件中的每一个的X方向的位置对应于辐射光学系统与工件102之间在Z方向上的距离。

图10是玻璃等的透明体已经用作工件102、并且工件102的表面102a的位置合焦的示例。

如图10中的A所示，从半导体激光器101输出的辐射光束L在工件102的表面102a和背面102b处沿光束L的光轴反射。反射光束L穿过物镜105、分束器104、以及成像透镜106，然后由三角棱镜107反射并通过入射面301a进入棱镜301。已经进入棱镜301的光束L被折射，使得其光轴在棱镜301中变得相对于X方向斜向，并且由线传感器108接收。此时，如图10中的B和C所示，表面反射光束La和背面反射光束Lb最终在棱镜301中进行具有不同光路长度。因此，在表面反射光束La与背面反射光束Lb的信号强度分布的X方向的偏移量也出现差异。结果，如图11所示，表面反射光束La与背面反射光束Lb的信号强度分布的峰值Xa与Xb表现为在线传感器108中分离。结果，表面反射光束La的信号强度分布的峰值变得清楚，因此，对透明体的工件的焦点检测期间的焦点误差减小。

如上所述，本实施例允许获得与第一和第二实施例的优点类似的优点。此外，在本实施例的情况下，因为在信号强度分布的峰值分离中利用由棱镜对反射光束的折射，所以与第一和第二实施例相比，可能更大地减小反射光束的损耗，并因此可以更大地改进焦点检测期间的SN比。换言之，本实施例使得可以提供这样的光学拾取装置，其与第一和第二实施例的光学拾取装置相比，能够对透明体的工件进行更高精度的聚焦。

Claims (10)

1.一种光学拾取装置，包括：

光源，输出光束；

辐射光学系统，将从光源输出的光束投射到测量目标上；

成像光学系统，会聚并成像由测量目标反射的光束；

光接收部分，接收由成像光学系统成像的光束；以及

峰值分离部分，当假设由测量目标的第一表面和第二表面反射的光束为第一反射光束和第二反射光束时，关于光接收部分中辐射光学系统与测量目标之间的距离，分离第一和第二反射光束的光强的峰值。

2.根据权利要求1所述的光学拾取装置，其中

峰值分离部分被布置在光束的光路上，并且调节包括光束的光轴的特定第一范围的光强。

3.根据权利要求2所述的光学拾取装置，其中

峰值分离部分是遮蔽光束的第一范围的遮光板。

4.根据权利要求2或3的光学拾取装置，还包括：

图像观测系统，观测测量目标的图像，

其中成像光学系统包括分束器，其分割并向图像观测系统发送由测量目标反射的光束的一部分，并且

峰值分离部分被布置在光束的光路上的分束器与光接收部分之间。

5.根据权利要求2所述的光学拾取装置，其中

成像光学系统包括反射镜，其反射光束的一部分，并且

反射镜被涂覆有遮光材料，其遮蔽光束的第一范围，并且反射镜还用作峰值分离部分。

6.根据权利要求2所述的光学拾取装置，其中

成像光学系统包括反射镜，其反射光束的一部分，并且

反射镜被布置在光束的第一范围的外部，并且反射镜还用作峰值分离部分。

7.根据权利要求1或2所述的光学拾取装置，其中

光源输出具有随着辐射角从与光束的光轴方向不同的特定角度接近该光轴方向而变弱的光强的光束，并且光源还用作峰值分离部分。

8.根据权利要求1所述的光学拾取装置，其中

峰值分离部分是被布置在光束的光路上的成像光学系统和光接收部分之间的棱镜。

9.根据权利要求8所述的光学拾取装置，其中

棱镜具有：入射面，其在光接收部分的多个光接收元件的排列方向的斜向延伸；以及出射面，其在与入射面延伸的方向不同的方向延伸。

10.根据权利要求9所述的光学拾取装置，其中

入射面与排列方向平行延伸。