JP2004184866A

JP2004184866A - 定倍率可変焦点光学系

Info

Publication number: JP2004184866A
Application number: JP2002354024A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Koto; 淳光藤
Original assignee: NEC Machinery Corp
Current assignee: Canon Machinery Inc
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】定倍率で焦点を連続的に変化できる定倍率可変焦点光学系を提供する。
【解決手段】固定取付部材１１と可動取付部材１２とを対向させて設け、固定取付部材１１に第１プリズム７を取り付けると共に、可動取付部材１２に第２プリズム８を取り付け、第１プリズム７の傾斜面７ａと第２プリズム８の傾斜面８ａとを微小間隔９で対向させ、可動取付部材１２に取り付けた第２プリズム８を、固定取付部材１１に取り付けた第１プリズム７に対して、第１プリズム７の傾斜面７ａに沿って微小間隔９を維持したまま平行移動させて、第１プリズム７の厚さｔ１と第２プリズム８の厚さｔ２との合計厚さを連続的に変化させて、定倍率で焦点を連続的に変化させる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は定倍率可変焦点光学系に関し、より詳しくは、焦点合わせを行って定位置に像を結ばせる可変焦点光学系において、結像倍率を一定にして焦点合わせを行うことができる定倍率可変焦点光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
対象物の状態を観察する場合、図４に示すように、台座３０に対象物３１を載置し、支柱３２にリニアガイド３３を介してＣＣＤカメラ３４やレンズ３５などの撮像手段３６を昇降自在に取り付け、リニアガイド３３により撮像手段３６をパルスモータなどの駆動モータ３７で昇降させて、対象物３１の各部分に焦点を合わせて観察するようにしている。あるいは、撮像手段３６を支柱３２に固定しておいて、対象物３１を載置したＸ−Ｙ−Ｚテーブルなどの台座３０をパルスモータ（図示省略）により昇降させて、対象物３１の各部分に焦点を合わせて観察するようにしている。
【０００３】
ところが、重量の大きな撮像手段３６や台座３０を昇降させるためには、駆動モータ３７も大型、かつ大重量になり、その昇降動作時に振動を発生し易く、高精度の観察が困難になることがあるという問題点があった。
【０００４】
また、この種観察装置には、通常、対象物３１を照明する照明装置（図示省略）が設けられるが、撮像手段３６や台座３０を昇降させると、照明装置と対象物３１との位置関係が変化して、良好な照明状態が得られなくなり、観察に支障を来たすことがあるという問題点もあった。
【０００５】
そこで、図５および図６に示すように、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ４０の上に対象物４１を載置し、その上方にＣＣＤカメラなどの撮像手段を含む光学系４２を配置し、対象物４１と光学系４２との間に、異なる厚さの平行平面ガラス４３を円周方向に多数配置した円盤４４を、駆動モータ４５によって回転自在に構成し、前記各平行平面ガラス４３の中心を光軸が通るようにした高速焦点移動機構も提案されている。
【０００６】
図５および図６において、平行平面ガラス４３の位置をタイミングセンサ４６で検出し、このタイミングセンサ４６の出力と光学系４２の出力に基づいて、各平行平面ガラス４３の結像を並列処理プロセッサ４７で処理し、この並列処理プロセッサ４７の出力は前記光学系４２およびＸ−Ｙ−Ｚステージ４０を制御するステージコントローラ４８に与えられる。（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
「半導体産業における三次元計測」石原満宏、光技術コンタクト、Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．２（２００１）Ｐ．２９−３５（Ｐ．３２−３４、図７，図８）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の非特許文献１に記載された高速焦点移動機構では、可変焦点のために厚さが異なる多数の平行平面ガラス４３が必要であるのみならず、これらの平行平面ガラス４３を取り付けた円盤４４を駆動モータ４５によって回転させなければならず、しかも、タイミングセンサ４６、並列処理プロセッサ４７などを必要とするため構成が複雑、かつ、大型、高価になるという問題点がある。
【０００９】
そこで、本発明は、現時点で入手が容易な構成部品を用いて焦点距離を連続的に変化させることが可能な定倍率可変焦点光学系を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載された定倍率可変焦点光学系は、撮像手段と対象物との間に介在される定倍率可変焦点光学系であって、第１プリズムと、第２プリズムとを、傾斜面どうしを微小間隔で対向させて配置し、少なくとも一方のプリズムを傾斜面に沿って移動可能にして、第１プリズムと第２プリズムの合計厚さを可変して定倍率で焦点を可変にしたことを特徴とするものである。
【００１１】
上記の定倍率可変焦点光学系によれば、第１プリズムと第２プリズムとを相対的に連続的に移動させることによって、第１プリズムと第２プリズムの合計厚さを連続的に変化させることができ、定倍率で焦点を連続的に変化させることができる。しかも、プリズムは現在、市場で容易、かつ、安価に入手可能なものであるため、容易に安価な定倍率可変焦点光学系の実現が可能である。
【００１２】
本発明の請求項２に記載された定倍率可変焦点光学系は、前記第１プリズムが傾斜面を下方にして固定され、前記第２プリズムが傾斜面を上側にして移動可能に構成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
上記の定倍率可変焦点光学系によれば、第１プリズムを固定し、第２プリズムのみを第１プリズムに対して移動させることによって、第１プリズムと第２プリズムとの合計厚さを変化させることができるので、簡単な機構により、定倍率で焦点を連続的に変化させることができる。
【００１４】
本発明の請求項３に記載された定倍率可変焦点光学系は、撮像手段を取り付けた保持部材と、対象物を載置する台座とを有し、前記保持部材に第１プリズムを固定取付部材を介して固定すると共に、前記第１プリズムの傾斜面に微小間隙で対向する傾斜面を有する第２プリズムを可動取付部材に取り付け、この可動取付部材をプリズムの傾斜面に沿って移動させることによって、前記第１プリズムと第２プリズムの合計厚さを可変にしたことを特徴とするものである。
【００１５】
上記の定倍率可変焦点光学系によれば、保持部材に取り付けた撮像手段や、対象物を載置した台座を昇降する場合に比較して、著しく軽量な第２プリズムを移動させるので、駆動系が小型、かつ簡単にできるのみならず、軽量のため慣性が小さいので高速動作が可能で、しかも、第２プリズムの移動による振動がないか、あっても著しく小さいために、焦点の変動がないか、あっても極めて小さい。そのため、高精度の観察が短時間で可能になる。
【００１６】
本発明の請求項４に記載された定倍率可変焦点光学系は、前記固定取付部材と可動取付部材とに、第１，第２プリズムを微小間隙で取り付けると共に、スライダを摺動可能に取り付けたことを特徴とするものである。
【００１７】
上記定倍率可変焦点光学系によれば、第１プリズムを取り付けた固定取付部材と、第２プリズムを取り付けた可動取付部材とが、スライダを介して相互にスライド可能であるため、簡単な機構で、第１プリズムに対して第２プリズムを円滑に移動させることが可能であり、小型、かつ、安価な定倍率可変焦点光学系を提供することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明定倍率可変焦点光学系の実施形態について説明する。図１（Ａ）は本発明の定倍率可変焦点光学系を組み込んだ観察装置の概略正面図で、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の円Ａ内の微小間隙部分の部分拡大正面図を示す。図１において、１は観察する対象物２を載置した台座で、３は対象物１の上方に配置された撮像手段４およびレンズ５を保持する保持部材の一例の支柱である。６は定倍率可変焦点光学系で、第１プリズム７と第２プリズム８とが、傾斜面７ａ，８ａどうしを微小間隙９で対向させてあり、第２プリズム８が第１プリズム７の傾斜面７ａに沿って、すなわち、微小間隙９を維持したまま移動可能に構成されている。
【００１９】
図２は図１の定倍率可変焦点光学系６の具体的な構成を示し、１０は第１プリズム７に対して第２プリズム８を移動可能に組み付けたものを、支柱３に取り付けるための取付部材で、この取付部材１０は、第１プリズム７を取り付けた略クランク状の固定取付部材１１と、この略クランク状の固定取付部材１１に対向して、第２プリズム８を取り付けた略逆クランク状の可動取付部材１２とを有する。
【００２０】
前記固定取付部材１１および可動取付部材１２は、それぞれ一端部に第１プリズム７および第２プリズム８が取り付けられ、他端部に摺動抵抗が小さい、例えば、鉄ないしステンレスからなるスライダ１３，１４が取り付けてある。
【００２１】
そして、図２の第１，第２プリズム７，８を取り付けた固定取付部材１１および可動取付部材１２が、前記第１，第２プリズム７，８の平面部７ｂ，８ｂが、光軸１５に対して垂直になるように、前記図１の対象物２と撮像手段４との間に配置されている。
【００２２】
図１において、対象物２と撮像手段４との間隔寸法Ｌ１は一定であり、また、支柱３に固定された第１プリズム７の平面部７ｂと、撮像手段４との間隔寸法Ｌ２も一定であり、さらに光軸１５における第１プリズム７の厚さ寸法ｔ１、微小間隙９の間隙寸法ｇも一定である。これに対して、第２プリズム８を第１プリズム７の傾斜面７ａに沿って微小間隙９（間隙寸法ｇ）を一定に維持して移動させると、光軸１５における第２プリズム８の厚さ寸法ｔ２が変化する。
【００２３】
すなわち、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、第２プリズム８を第１プリズム７の傾斜面７ａに沿って微小間隙９（間隙寸法ｇ）を維持して連続的に移動させると、光軸１５における第２プリズム８の厚さ寸法ｔ２を連続的に変化させることができる。また、第２プリズム８の移動に伴って、対象物２と第２プリズム８の平面部８ｂとの間隔寸法Ｌ３も変化する。なお、微小間隙９の存在によって、第１プリズム７の光軸１５と、第２プリズム８の光軸１５とは若干オフセットされるが、そのオフセット量は小さく、しかも、第２プリズム８の移動に拘わらずオフセット量は一定であるので、対象物２の表面観察には全く支障がない。したがって、対象物２および撮像手段４を固定にしたままで、対象物２と撮像手段４との間の光路長を連続的に変化させて、焦点を連続的に変化させることができる。
【００２４】
第１プリズム７および第２プリズム８の傾斜面７ａ，８ａと平面部７ｂ，８ｂとのなす傾斜角度θを小さくすると、第２プリズム７の傾斜面方向への移動量に対する光軸１５における第２プリズム８の厚さ寸法ｔ２の変化が小さくなり、焦点をより高精度で変化できる利点があるが、反面、第２プリズム８の移動量が増大するので、その移動範囲を考慮した設計が必要になる。また、傾斜角度θを大きくすると、第２プリズム７の傾斜面方向への移動量に対する光軸１５における第２プリズム８の厚さ寸法ｔ２の変化が大きくなり、焦点を大きく変化できる利点があるが、反面、微小な凹凸を有する対象物に対しては、第２プリズム８の移動量の厳密な制御が要求されるし、微小間隙９の間隙寸法ｇが大きくなるので、この微小間隙９部分での光軸１５の屈折が大きくなり、光軸のオフセットが大きくなる。したがって、傾斜角度θは、用途に応じて適宜設定すればよい。半導体チップ（ダイ）などの観察においては、１５〜２０°程度が適当である。
【００２５】
以上のように、定倍率可変焦点光学系６においては、駆動モータ（図示省略）によって、可動取付部材１２を固定取付部材１１に対して平行移動させると、第１プリズム７と第２プリズム８とが微小間隙９を維持したまま、光軸１５における第２プリズム８の厚さ寸法ｔ２を連続的に変化させることができ、定倍率で焦点を連続的に変化させることが可能な定倍率可変焦点光学系が実現できる。
【００２６】
なお、上記実施形態は、特定の実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、図２の上側の取付部材１１を可動取付部材として第２プリズム８を取り付け、下側の取付部材１２を固定取付部材として第１プリズム７を取り付けてもよい。
【００２７】
また、上記実施形態に記載した固定取付部材１１および可動取付部材１２は、略クランク状の構成のものについて説明したが、このような構成に限定されるものではなく、例えば、上面から見てＨ字形の取付部材を用いて、一方の凹部にプリズムを取り付け、他方の凹部にスライダを取り付けるようにしてもよい。
【００２８】
また、定倍率可変焦点光学系を組み込んだ観察装置の設置場所などの条件によっては、第１プリズム７および第２プリズム８の両方を可動取付部材に取り付けるようにしてもよい。そのようにすると、構成は若干複雑になるが、光軸１５における第１プリズム７の厚さ寸法ｔ１および第２プリズム８の厚さ寸法ｔ２の両方を変化させることができるので、所定の焦点可変に要するプリズムの移動量を小さくすることができる利点がある。なお、このように第１，第２プリズム７，８の両方を可動取付部材に取り付ける場合、第１，第２プリズム７，８を別々の駆動モータで駆動するようにしてもよいが、１個の駆動モータで互いに相反する方向に駆動するようにすることによって、駆動モータの使用数を低減して、構成を簡易かつ安価にできると共に、第１，第２プリズム７，８の移動量に対する焦点の変化率を一定にできる。
【００２９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の定倍率可変焦点光学系は、撮像手段と対象物との間に介在される定倍率可変焦点光学系であって、第１プリズムと、第２プリズムとを、傾斜面どうしを微小間隔で対向させて配置し、少なくとも一方のプリズムを傾斜面に沿って移動可能にして、第１プリズムと第２プリズムの合計厚さを可変して定倍率で焦点を可変にしたことを特徴とするものであるから、第１プリズムと第２プリズムの少なくとも一方を移動させることによって、対象物と撮像手段との間隔を変更することなく、すなわち、定倍率で連続的に焦点を変化できる定倍率可変焦点光学系を提供することができる。また、この定倍率可変焦点光学系は、従来の多数の平行平面ガラスを円盤に取り付け、この円盤を回転させるものに比較して、小型、軽量かつ、安価であり、現在、市場に出回っている入手容易なプリズムによって、容易、かつ、安価に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の実施形態に係る定倍率可変焦点光学系を組み込んだ観察装置の概略正面図、
（Ｂ）は（Ａ）の微小間隙部分Ａにおける拡大正面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る定倍率可変焦点光学系の正面図である。
【図３】（Ａ）は本発明の実施形態に係る定倍率可変焦点光学系のプリズム部分の拡大正面図、
（Ｂ）は（Ａ）の定倍率可変焦点光学系における第２プリズムを移動させた場合の状態を示すプリズム部分の拡大正面図である。
【図４】従来の可変焦点観察装置の側面図である。
【図５】従来の他の可変焦点観察装置における概略正面図である。
【図６】図５の可変焦点観察装置における高速焦点移動機構の斜視図である。
【符号の説明】
１台座
２対象物
３保持部材（支柱）
４撮像手段
５レンズ
６定倍率可変焦点光学系
７第１プリズム
７ａ，８ａ傾斜面
７ｂ，８ｂ平面部
８第２プリズム
９微小隙間
１０取付部材
１１固定取付部材
１２可動取付部材
１３，１４スライダ
１５光軸
Ｌ１対象物と撮像手段との間隔寸法
Ｌ２第１プリズムの平面部と撮像手段との間隔寸法
ｔ１第１プリズムの厚さ寸法
ｔ２第２プリズムの厚さ寸法
ｇ第１プリズムと第２プリズムの間隙寸法

Claims

撮像手段と対象物との間に介在される定倍率可変焦点光学系であって、
第１プリズムと、第２プリズムとを、傾斜面どうしを微小間隔で対向させて配置し、少なくとも一方のプリズムを傾斜面に沿って移動可能にして、第１プリズムと第２プリズムの合計厚さを可変して定倍率で焦点を可変にしたことを特徴とする定倍率可変焦点光学系。
前記第１プリズムが傾斜面を下方にして固定され、前記第２プリズムが傾斜面を上側にして移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の定倍率可変焦点光学系。
撮像手段を取り付けた保持部材と、対象物を載置する台座とを有し、前記保持部材に第１プリズムを固定取付部材を介して固定すると共に、前記第１プリズムの傾斜面に微小間隙で対向する傾斜面を有する第２プリズムを可動取付部材に取り付け、この可動取付部材をプリズムの傾斜面に沿って移動させることによって、前記第１プリズムと第２プリズムの合計厚さを可変にしたことを特徴とする定倍率可変焦点光学系。
前記固定取付部材と可動取付部材とに、第１，第２プリズムを微小間隙で取り付けると共に、スライダを摺動可能に取り付けたことを特徴とする請求項３に記載の定倍率可変焦点光学系。