JP2001074446A

JP2001074446A - 焦点検出装置

Info

Publication number: JP2001074446A
Application number: JP25031199A
Authority: JP
Inventors: Osamu Ono; 修大野
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2001-03-23

Abstract

(57)【要約】【課題】構成及び調整が簡単で、且つ、合焦方向を瞬時
に判断でき、素早く合焦位置を検出することができる焦
点位置検出装置を提供することである。【解決手段】この焦点検出装置は、光学系により、半導
体レーザ２９からの測定光が被測定物２２の被測定面に
照射されると共に、上記被測定面からの反射光が集光さ
れる。この光学系によって集光される反射光は撮像素子
３０によって検出され、更にこの撮像素子３０からの信
号は信号処理部３３で処理される。また、上記撮像素子
３０上の反射光の像には光学系により非点収差が発生さ
れる。そして、上記反射光の像の非円形性より、上記被
測定面の合焦位置が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は焦点検出装置に関
し、より詳細には、被測定面の法線方向の位置を検出す
る焦点検出装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の焦点検出装置としては、
例えば、特公平７−２３８４４号公報に記載されたよう
な表面形状測定器が知られている。これは、図４に示さ
れるように、ステージ１上に載置された被測定物２から
の光を、対物レンズ３で集光して偏光ビームスプリッタ
４で反射し、シリンドリカルレンズ５等の円筒レンズに
よって集光光束に非点収差を与え、焦点位置のずれによ
る光束の断面の形状変化を４分割受光素子６で検出する
ものである。

【０００３】図５は、こうした４分割受光素子による非
点収差法の原理を説明するための図である。

【０００４】図５（ａ）は、４分割受光素子８ａ〜８ｄ
の略中心部にスポット１０が照射されている例を示した
図、図５（ｂ）は受光素子８ａ〜８ｄにスポット１１が
照射されている例を示した図、図５（ｃ）は受光素子８
ａ〜８ｄにスポット１２が照射されている例を示した図
である。光学系に非点収差がある場合は、焦点の前後で
スポット１１、１２のように形状が変化する。このよう
なスポットの形状変化を４分割受光素子８ａ〜８ｄで検
出し、この検出出力に基いてステージ１をＺ軸方向に駆
動制御することにより、焦点位置が検出される。

【０００５】また、特開平０７−０７２３７７号公報に
開示されている装置としては、図６に示されるように、
対物レンズ３等の結像光学系を一定周期で移動させ、光
軸方向の異なる３つの位置の各光学像を１個の撮像素子
１５を用いて検出し、合焦方向を検出した上で自動焦点
装置１６にて合焦位置を検出するものがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図４に示さ
れるような従来の焦点検出装置では、シリンドリカルレ
ンズ５等の特殊レンズを使用し、更に４分割の受光素子
の中心を光軸中心に調整する必要があると共に、各受光
素子の受光感度を調整する必要が生じるという課題を有
している。

【０００７】また、図６に示されるような装置では、連
続的な動作での自動合焦制御を可能にするため、合焦方
向を検出しなければならず、常に結像光学系を後焦点位
置、焦点位置、前焦点位置へと一定周期で移動させる必
要がある。そのため、メモリの書換え等の複雑な処理が
必要となり、且つ瞬時に合焦方向を検出することができ
ないため、合焦検出速度が遅くなるという課題を有して
いる。

【０００８】この発明は、上記課題を解決するためにな
されたものであり、その目的は、構成及び調整が簡単
で、且つ、合焦方向を瞬時に判断でき、素早く合焦位置
を検出することができる焦点位置検出装置を提供するこ
とである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、被
測定面の法線方向の位置を検出する焦点検出装置に於い
て、測定光を被測定面に照射させると共に、上記被測定
面からの反射光を集光させる光学系と、この光学系によ
って集光する反射光を検出する撮像手段と、この撮像手
段からの信号を処理する信号処理手段と、上記反射光の
像に非点収差を発生させる光学系と、を具備し、上記反
射光の像の非円形性より上記被測定面の合焦位置を検出
することを特徴とする。

【００１０】また、本発明は、上記信号処理手段が、上
記撮像手段上に集光する測定光の楕円率を計測すること
で、合焦方向及び合焦位置を判別することを特徴とす
る。

【００１１】更に、本発明は、上記非点収差を発生させ
る光学系として、収束光線部に配置された光量分離の可
能な平行平面板を更に具備することを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
実施の形態を説明する。

【００１３】図１は、この発明の一実施の形態に係る焦
点検出装置の構成を概略的に示した図である。

【００１４】図１に於いて、本実施例の焦点検出装置
は、ステージ２１上に被測定物２２が載置されており、
この被測定物２２の被測定面が図示されない照明系によ
り照射されるようになっている。また、ステージ２１の
上方には、反射光を集光する対物レンズ２３、１／４波
長板２４、ダイクロイックハーフミラー２５、集光レン
ズ２６が、順次配置されている。また、この焦点検出装
置は、平行光線を集光光線に変える集光レンズ２７と、
光路分割素子２８と、測定用の光源である半導体レーザ
２９と、ＣＣＤ等で代表される二次元受光素子で構成さ
れる撮像素子３０と、信号処理部３３と、駆動制御部３
４と、ホストコンピュータ３５と、ＸＹ駆動系３６及び
Ｚ駆動系３７とを有している。

【００１５】上記ステージ２１は、ＸＹ駆動系３６によ
り、光軸と直交する（Ｘ軸、Ｙ軸）方向に移動可能であ
る。また、上記対物レンズ２３は、Ｚ駆動系３７によ
り、光軸（Ｚ軸）方向に移動可能であり、且つ移動量を
高精度に読取る機能を有している。更に、上記ダイクロ
イックハーフミラー２５は、観察系光路と光検出光路を
分岐するための光学系である。

【００１６】上記駆動制御部３４は、上記信号処理部３
３からの信号に基いて、ホストコンピュータ３５の指示
によって、上記ステージ２１及び対物レンズ２３を移動
すべく、ＸＹ駆動系３６及びＺ駆動系３７を駆動制御す
るものである。

【００１７】この装置の測定光の光源としては、例え
ば、半導体レーザ２９を有している。また、上記光路分
割素子２８は、レーザ照射用の光路と集光した被測定面
からの反射光を検出する光検出光路を分岐するための平
行平面板に代表される素子である。尚、この光路分割素
子２８は、集光レンズ２７の収束光線部上に配置されて
いる。

【００１８】次に、このように構成された焦点検出装置
の動作について、図２のフローチャートを参照して説明
する。

【００１９】先ず、例えばホストコンピュータ３５等に
よって、Ｚ駆動系３７を手動モードで駆動して対物レン
ズ２３を光軸（Ｚ軸）方向に移動制御することにより、
焦点位置を合わせる（ステップＳ１）。

【００２０】このとき、上記半導体レーザ２９から出射
されたレーザビームは、光路分割素子２８で反射され集
光レンズ２７を透過する。ここで、平行光線となった光
線は、ダイクロイックハーフミラー２５で反射され、１
／４波長板２４、対物レンズ２３を介して、ステージ２
１上の被測定物２２の被測定面に照射される。

【００２１】そして、この被測定面からの反射光は、再
度、対物レンズ２３、１／４波長板２４を透過した後、
ダイクロイックミラー２５で反射され、集光レンズ２７
と光路分割素子２８を透過し、撮像素子３０に入射され
る。

【００２２】ところで、上記光路分割素子２８は収束光
線部上に配置されているため、撮像素子３０上で検出さ
れる像に非点収差が発生する。この場合、合焦位置で
は、撮像素子３０に於ける光束の形状は円形となる。こ
の合焦状態のときの光束中心を原点として、図３（ａ）
に示されるように、Ｘ軸Ｔ１、Ｙ軸Ｔ２が設定される
（ステップＳ２）。

【００２３】ここまでの初期設定は、装置の組立調整時
に行うことも可能である。組立調整時に行っておけば、
それ以後、上述したステップＳ１〜Ｓ２の処理は必要な
く、以下に述べるステップＳ３以降の動作から測定が可
能である。

【００２４】次に、合焦状態でない場合の処理が行われ
る。すなわち、先ず、ホストコンピュータ３５からの指
令によってＺ駆動系３７が駆動される（ステップＳ
３）。このとき、対物レンズ２３は合焦位置でないた
め、非点収差を有する光束の像が撮像素子３０に入射さ
れる。この撮像素子３０に入射された撮像信号Ｖは、信
号処理部３３に転送され、例えば二値化（明暗）処理が
施されて、非点収差の楕円率Ｅ＝ａ−ｂ（Ｘ軸Ｔ１：ａ
＝ＡＡ′、Ｙ軸Ｔ２：ｂ＝ＢＢ′）が算出される（ステ
ップＳ４）。

【００２５】これらの処理は、常に繰返されているた
め、楕円率Ｅの値も常に変化している。ちなみに、合焦
時には非点収差は発生せず、撮像素子３０に入射される
像は円形となるが、非合焦時の入射像は楕円形となる。
よって、図３（ａ）に示されるように、この楕円率がＥ
＝０の時、合焦状態であり、対物レンズ２３の集光点が
被測定面に一致している。

【００２６】しかしながら、図３（ｂ）に示されるよう
に、楕円率がＥ＞０の時、合焦位置は対物レンズ２３の
集光点より下方にあることになる。このときは、Ｚ駆動
系３７により対物レンズ２３が光軸（Ｚ軸）方向下方に
移動され、合焦位置に対物レンズ２３の焦点を合わせる
動作が行われる。

【００２７】また、図３（ｃ）に示されるように、楕円
率がＥ＜０の時、合焦位置は対物レンズ２３の集光点よ
り上方にあることになる。このときは、Ｚ駆動系３７に
より対物レンズ２３が光軸（Ｚ軸）方向上方に移動さ
れ、合焦位置に対物レンズ２３の焦点を合わせる動作が
行われる（ステップＳ５）。

【００２８】その後、図３（ａ）に示されるような、楕
円率Ｅ＝０の合焦状態が得られたならば、Ｚ駆動系３７
による動作が停止される（ステップＳ６）。

【００２９】以上のような動作が行われることで、１個
の撮像素子を使用して合焦位置並びに前焦点方向及び後
焦点方向を検出することが可能で、且つ撮像素子３０を
対物レンズ２３の焦点面とほぼ共役な位置に配置するだ
けで良く、位置調整が簡単に行えると共に、瞬時に合焦
方向を検出することが可能となり、より早く合焦位置の
検出ができる。

【００３０】また、図３（ａ）に示されるように、撮像
素子３０の全領域をＳ１とし、非点収差を有する像の面
積をＳ２（πａｂ／４）とした場合 ΔＳ＝Ｓ２／Ｓ１を算出し、二値処理により求められた楕円率Ｅを用い
て、Ｅ′＝Ｅ／ΔＳとし、上述した実施の形態と同様に、Ｅ′＝０、Ｅ′＜
０、或いはＥ′＞０の判定を行うことで、外部ノイズ等
の影響を軽減することも可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、構成及
び調整が簡単で、且つ、合焦方向を瞬時に判断でき、素
早く合焦位置を検出することができる焦点位置検出装置
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態に係る焦点検出装置の
構成を概略的に示した図である。

【図２】図１の構成の焦点検出装置の動作について説明
するフローチャートである。

【図３】撮像素子３０に入射される像を示した図であ
る。

【図４】従来の焦点検出装置の構成を概略的に示した図
である。

【図５】４分割受光素子による非点収差方の原理を説明
するための図である。

【図６】従来の焦点検出装置の構成を概略的に示した図
である。

【符号の説明】

２１ステージ、２２被測定物、２３対物レンズ、２４１／４波長板、２５ダイクロイックミラー、２６、２７集光レンズ、２８平行平面ミラー、２９半導体レーザ、３０撮像素子、３３信号処理部、３４駆動制御部、３５ホストコンピュータ、３６ＸＹ駆動系、３７Ｚ駆動系。

フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA02 AA06 DD04 DD06 EE08 FF04 FF10 GG06 HH03 HH13 JJ00 JJ03 JJ05 JJ09 JJ26 LL12 LL36 PP04 QQ05 QQ34 2F112 AB01 BA05 BA07 CA12 DA25 DA28 FA03 FA08 2H011 AA06 BA51 2H051 AA11 AA15 BB31 BB35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定面の法線方向の位置を検出する焦
点検出装置に於いて、測定光を被測定面に照射させると共に、上記被測定面か
らの反射光を集光させる光学系と、この光学系によって集光する反射光を検出する撮像手段
と、この撮像手段からの信号を処理する信号処理手段と、上記反射光の像に非点収差を発生させる光学系と、を具備し、上記反射光の像の非円形性より上記被測定面の合焦位置
を検出することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】上記信号処理手段は、上記撮像手段上に
集光する測定光の楕円率を計測することで、合焦方向及
び合焦位置を判別することを特徴とする請求項１に記載
の焦点検出装置。
【請求項３】上記非点収差を発生させる光学系とし
て、収束光線部に配置された光量分離の可能な平行平面
板を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の焦
点検出装置。