JP2005195408A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検物と光学系との位置関係が変化する場合でも、面位置検出動作を追従させる。
【解決手段】光源１から出射した光を被検査面上に投影する光学系３，５と、前記被検査面からの戻り光を分岐する分岐手段２と、分岐手段２によって分岐された一方の光路に配置された、第１のピンホールを有する光絞り部材１１と、分岐された他方の光路に配置された、第２のピンホールを有する光絞り部材１３とを有する共焦点光学系と、戻り光のうち第１のピンホールを通った光の光量を検出する光量検出手段１２と、第２のピンホールを通った光の光量を検出する光量検出手段１４と、光量検出手段１２、１４での検出量の差の基づいて、前記被検査面の位置を検出する面位置検出手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、共焦点光学系を用いた位置検出装置に関する。

被検物の高さ測定、被検物の表面形状の測定、或いは顕微鏡や測定機のオートフォーカス動作を行なうための、被検物の面の位置を検出する位置検出装置として、例えば共焦点光学系を利用した装置がある。共焦点光学系は、対物レンズ像面にピンホールを配し、このピンホールを通して、例えば、レーザ光を被検物面に投光し、ピンホールを通して被検物面からの戻り光を検出するものが代表的な構成として知られている。この構成による共焦点光学系は、被検物面が対物レンズの被検物側の焦点面にある場合に、ピンホールを通して検出される戻り光の輝度が最大となり、被検物面が対物レンズの被検物側の焦点面からわずかでも光軸方向にずれると、戻り光の輝度は急峻に減ずる性質を持つ。

共焦点光学系のこのような性質を利用し、被検物面の位置を検出することができる。即ち、対物レンズと被検物面との距離を相対的に移動させるとともに、被検物面から戻り光のうちピンホールを通る光の光量を検出し、その光量がピークになったときの被検物面の位置をリニアエンコーダ等の面位置検出手段で検出すればよい。さらには、被検物面の高さや断面曲線、表面形状を測定できる。また、顕微鏡や光学測定機等において、焦点位置検出ができる。更に、対物レンズ又は鏡筒又は被検物を載せたステージを高さ方向に移動しながら焦点位置検出を行なうことにより、オートフォーカス動作をさせることもできる（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−３５５１０号公報

上記のような従来の装置においては、受光光量変化のピークを検出する方式である。そのため、焦点ずれが起きている状態のときは光量がピーク値より小さくなるわけであるが、そのずれがどちらの方向へのずれであるかが判別できない。従って、被検物と光学系との位置関係が変化する場合に、その変化に合わせて、オートフォーカス動作（すなわち面位置検出動作）を追従させることができない。被検物と光学系との位置関係が変化する場合とは、例えばコンティニュアスＡＦ動作のように、被検物を光学系の光軸に垂直な方向に相対移動させながら、オートフォーカス動作をさせ続ける場合等である。

本発明は、被検物と光学系との位置関係が変化する場合でも、面位置検出動作を追従させることができる面位置検出装置を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、請求項１に係る発明は、
光源から出射した光を被検査面上に投影する光学系と、前記被検査面からの戻り光を分岐する分岐手段と、前記分岐手段によって分岐された一方の光路に配置された、第１のピンホールを有する第１の光絞り部材と、前記分岐手段によって分岐された他方の光路に配置された、第２のピンホールを有する第２の光絞り部材とを有する共焦点光学系と、
前記戻り光のうち前記第１のピンホールを通った光の光量を検出する第１の光量検出手段と、
前記戻り光のうち前記第２のピンホールを通った光の光量を検出する第２の光量検出手段と、
前記第１の光量検出手段と前記第２の光量検出手段での検出量の差の基づいて、前記被
検査面の位置を検出する面位置検出手段とを有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、
請求項１の位置検出装置において、
前記第１のピンホールと前記第２のピンホールは、前記共焦点光学系の焦点位置と共役な位置から光軸方向にずらして配置され、前記第１のピンホールと前記第２のピンホールとは、互いに逆方向にずらして配置されることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、
請求項１又は２の位置検出装置において、
前記面位置検出手段は、前記第１の光量検出手段と前記第２の光量検出手段での検出量の差と前記第１の光量検出手段と前記第２の光量検出手段での検出量の和に基づいて、前記被検査面の位置を検出することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、
請求項１又は２の位置検出装置において、
前記戻り光の光量を検出する第３の光量検出手段を有し、
前記面位置検出手段は、前記第１の光量検出手段と前記第２の光量検出手段での検出量の差と前記第３の光量検出手段での検出量に基づいて、前記被検査面の位置を検出することを特徴とする。

本発明によれば、被検物と光学系との位置関係が変化する場合でも、面位置検出動作を追従させることができる。

以下、本発明の実施の形態による位置検出装置を顕微鏡装置に適用した例を説明する。図１は、本実施の形態による顕微鏡装置の構成を示す図である。図１において、レーザダイオード（ＬＤ）１は、波長が約６７０ｎｍの光を放射し、その光は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２に入射される。ＰＢＳ２は、ＬＤ１から放射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分に分割する（Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射させる）機能を有する。

ＰＢＳ２の偏光面に入射した光のうち、Ｐ偏光成分のみが偏光面を透過する。透過した光はレンズ３により平行光となる。集光された光はダイクロイックミラー４に入射される。ダイクロイックミラー３は、ＬＤ１から射出される光の波長（約６７０ｎｍ）周辺の光やこの波長よりも長波長の光を反射させる機能を有する。

ＬＤ１からの光は波長が約６７０ｎｍであるから、ダイクロイックミラーで反射することになる。したがって、レンズ３からの光はダイクロイックミラー４で反射され、対物レンズ５によって、対物レンズ５の焦点位置に集光される。

対物レンズ５の被検物７側には、１／４波長板６が設けられている。１／４波長板６を透過して被検物７面に照射されて反射した戻り光は、再び１／４波長板６を通る。その結果、光の偏光面が９０度回転され、Ｐ偏光だった光は、Ｓ偏光に変換されることになる。Ｓ偏光となった光は、対物レンズ５によって集光され、ダイクロイックミラー４で反射され、レンズ３により集光される。そして、Ｓ偏光であるため、ＰＢＳ２の偏光面で反射される。この反射光の光路には、ビームスプリッタ９，１０が配置されている。ビームスプリッタ９，１０は、入射光を所定割合で透過および反射させる機能を有している。透過と反射の光量の割合は、本実施形態では、ビームスプリッタ９では、透過：反射＝２：１、ビームスプリッタ１０では、透過：反射＝１：１とする。

ビームスプリッタ９とビームスプリッタ１０を透過した光の光路に第１光量センサ１２が配置されている。ビームスプリッタ９を透過し、ビームスプリッタ１０で反射した光の光路に第２光量センサ１４が配置されている。そして、ビームスプリッタ９で反射した光の光路に第３光量センサ１５が配置されている。ビームスプリッタ１０と第１光量センサ１２の間にはピンホール１１ａを有する第１光絞り部材１１が配置され、ビームスプリッタ１０と第２光量センサ１４の間にはピンホール１３ａを有する第２光絞り部材１３が配置されている。

ステージ８は、被検物７を載置してＸ−Ｙ方向（水平方向）に移動可能である。面位置検出装置１６は、第１光量センサ１２と第２光量センサ１４の出力信号を入力し、被検物７面の位置を検出する。光量コントローラ１７は、第３光量センサ１５の出力信号を入力し、ＬＤ１の発光量を制御する。移動装置１８は、共焦点光学系１９を含む光学装置２０を上下方向に移動させる。共焦点光学系１９は、偏光ビームスプリッタ２、レンズ３、ダイクロイックミラー４、対物レンズ５、λ／４波長板、ビームスプリッタ９，１０、光絞り部材１１，１３とから構成されている。光学装置２０は、共焦点光学系１９、光量センサ１１，１３，１５、ＬＤ１とから構成されている。観察光学系２１は、被検物７の像を撮像素子に結像させ、図示しないディスプレイ装置に映像化して表示する。

通常の共焦点光学系では、対物レンズ５の焦点位置と共役な位置にピンホールを配置する。このようにすると、被検物７面が焦点位置にあると、ピンホールを通過する光量が大きくなり、被検物７面が焦点位置からずれるとピンホールを通過する光量が小さくなる。したがって、ピンホールを通過する光量が大きくなったときを検出すれば、被検物７面に焦点を合わせることができる。

本実施形態においては、焦点ずれの方向を検出するために、２つのピンホール１１ａ、１３ａを対物レンズ５の焦点位置と共役な位置から光軸方向にずれた位置となるように第１光絞り部材１１、第２光絞り部材１３を配置する。

以下、第１光絞り部材１１、第２光絞り部材１３の配置について図２を参照して説明する。図２は、対物レンズ５の被検物７側の焦点位置を原点Ｏとし、図１に示す被検物７の位置のＺ軸（Ｚ軸は、原点Ｏを通り焦点面の法線方向に延びる軸）座標とし、第１光量センサ１２及び第２光量センサ１４の検出値（図２の縦軸の強度Ｉ）との関係を示している。

後で説明する光量コントローラ１７の機能により、被検物７からの戻り光の光量は一定になるように制御される。したがって、図２における第３光量センサ１５での受光量は一定の値となる。

図２における第１光量センサ１２または第２光量センサ１４の受光量は、ピンホール１１ａ、１３ａが対物レンズ５の焦点位置と共役な位置に配置されている場合の値を示している。この場合、第１光量センサ１２、第２光量センサ１４での受光量は、ともに、被検物７面が対物レンズ５の焦点位置にきたときに最大となる。

図２によれば、この場合の第１光量センサ１２または第２光量センサ１４の受光量の変化は、被検物７面が対物レンズ５の焦点位置となったとき最大となり、＋方向、−方向のずれるほど受光量は減少する。＋方向、−方向で受光量がほぼゼロになるＺ方向位置の幅を、ここではＺ−Ｉ全幅と呼ぶ。このＺ−Ｉ全幅は、図２中ではＩで示されている。この幅は、対物レンズ５のＮＡ（開口数）が0.3の時、１５μｍ程度である。

本実施形態においては、２つのピンホールの位置を、それぞれＺ−Ｉ全幅の１／４だけ対物レンズ５の焦点位置と共役な位置から前後にずらして配置する。すなわち、ピンホール１１ａの位置が、対物レンズ５の焦点位置と共役な位置からＺ−Ｉ全幅の１／４だけ光軸方向に被検物７側にずれるように第１光絞り部材１１を配置する。また、ピンホール１３ａの位置が、対物レンズ５の焦点位置と共役な位置からＺ−Ｉ全幅の１／４だけ光軸方向に被検物７と反対側にずれるように第１光絞り部材１１を配置する。

例えば、対物レンズのＮＡ（開口数）が0.3で横倍率が１０倍であると、縦倍率はその
２乗の１００倍となる。したがって、物体側のＺ−Ｉ全幅（１５μｍ）の１／４に相当する像側のずらし量は、３７５μｍとなる。

次に、本顕微鏡装置の動作に関して、被検物７面の表面形状を測定する場合について説明する。

ＸＹステージ８上に被検物７が載置され保持されると、ＬＤ１は発光して光が放射される。光は偏光ビームスプリッタ２に入射し、入射光のうちのＰ偏光成分のみが透過し、レンズ３に入射する。レンズ３に入射した光は集光されてダイクロイックミラー４で反射され対物レンズ５へ入射する。そして、対物レンズ５で集束されλ／４波長板６を通って被検物７に照射される。被検物７面で反射した光は、再びλ／４波長板６、対物レンズ５を通って集束され、ダイクロイックミラー４で反射され、レンズ３を介して偏光ビームスプリッタ２に入射される。Ｐ偏光だった光は、λ／４波長板６を２回通ったことにより、Ｓ偏光に変換されている。したがって、偏光ビームスプリッタ２で反射され、ビームスプリッタ９に入射する。ビームスプリッタ９では、入射光量の半分は反射されて、第３光量センサ１５で受光される。残りの半分は透過して、ビームスプリッタ１０へ入射する。ビームスプリッタ１０では、入射光量の半分は反射されて、ピンホール１３ａを通った光が第２光量センサ１４で受光される。残りの半分は透過してピンホール１１ａを通った光が第１光量センサで受光される。

光量コントローラ１７は、第３光量センサ１５からの出力信号を入力して、その信号値が一定値となるように、ＬＤ１からの発光量を制御する。すなわち、信号値が予め決められた基準値と比べて小さい場合は、発光量を大きくし、大きい場合は発光量を小さくする。このようにすることにより、被検物７からの戻り光の光量を一定値にすることができる。

なお、図示しない照明光源により、ＸＹステージ８上の被検物７が照明される。その反射光は、ダイクロイックミラー４を透過し、観察光学系２１へと入射される。

移動装置１２により、光学装置２０が上下に移動する。この移動する間に、面位置検出装置１６により、被検物７面に対する焦点合わせが行われる。

それぞれの光量センサからは、受光量に応じた出力信号が出力される。面位置検出装置１６は、第１光量センサ１２および第２光量センサ１４からの出力信号を入力し、２つの信号の差信号を生成する。

第１光量センサ１２からの出力信号の値をＡ、第２光量センサ１４からの出力信号の値をＢ、差信号の値をＳとすると、
Ｓ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）
（Ａ＋Ｂ）で除するのは、正規化するためである。

図３は、第１光量センサ１２、第２光量センサ１４からの出力信号の値Ａ，Ｂと、それ
らの差信号Ｓとの関係を示した図である。

図３に示すように、第１光量センサ１２からの出力値Ａは、被検物７面が、対物レンズ５の焦点位置よりも−方向（図１で下方向）にＺ−Ｉ全幅の１／４だけ離れた位置にきたときに最大値となる。第２光量センサ１４からの出力値Ｂは、被検物７面が、対物レンズ５の焦点位置よりも＋方向（図１で上方向）にＺ−Ｉ全幅の１／４だけ離れた位置にきたときに最大値となる。どちらの出力信号値も最大値となる位置の前後では徐々に光量が小さくなり、図３に示すように減衰のしかたは＋方向、−方向とも同様である。したがって、被検物７面が焦点位置にきたときには、第１光量センサ１２、第２光量センサ１４それぞれの出力値Ａ，Ｂは等しくなるので、差信号Ｓの値はゼロとなる。また、被検部７面が焦点位置に対して−方向（図１で下方向）にあるときは、図３に示すように、差信号Ｓの値は＋の値となり焦点位置に近づくほど値が小さくなる。被検部７面が焦点位置に対して＋方向（図１で上方向）にあるときは、差信号Ｓの値は−の値となり焦点位置に近づくほどその絶対値が小さくなる。

面位置検出装置１６は、差信号Ｓの値に応じて、移動装置１８により光学装置２０を上下動させる。被検物７面が焦点位置に近づくと、差信号Ｓの値がゼロから＋−いずれかの値となる。＋の値である場合は光学装置２０を上方向に移動させ、−の値である場合は光学装置２０を下方向に移動させる。このような上下動を繰り返し、差信号Ｓの値がゼロになったときが被検物７面が焦点位置となったときである。この状態になったときに、光学装置２０の移動を止める。ステージ８が移動することにより被検物７がＸＹ方向に移動して、また焦点位置がずれた場合は、前述と同様に光学装置２０の上下動を行い、焦点合わせを行う。
（変形例）
上記、実施形態では、差信号の値Ｓを求めるときに、（Ａ＋Ｂ）の値で正規化したが、第３光量センサ１５の出力信号の値で正規化してもよい。

図１において、第３光量センサ１５の出力信号を面位置検出装置１６に入力する（図１中、一点鎖線で記載）。

第１光量センサ１２からの出力信号の値をＡ、第２光量センサ１４からの出力信号の値をＢ、第３光量センサ１５からの出力信号の値をＣ、差信号の値をＳとすると、
Ｓ＝（Ａ−Ｂ）／Ｃ
このＳの値を用いて、前述と同様の動作を行って焦点合わせを行うことができる。

以上のような実施形態によれば、被検物７がステージ８の移動により、ＸＹ方向に移動している状態で面の高さ位置が変化する場合でも、焦点合わせの動作を追従させることができる。本実施形態では、焦点位置が被検物７面に対してずれている場合に、差信号の値Ｓによって、ずれの方向を検出できる。したがって、差信号の変化に応じて光学装置２０を上下動させ続ければ、被検物７に移動によって高さ位置が変化する場合でも、焦点位置をその高さ位置に追従させることができる。

なお、焼結セラミックのような粒子状の面を有した被検物や、機械加工面のように表面粗さを有した金属乱反射面を有した被検物の場合、被検物面の場所により反射率が変動することになる。しかしながら、本実施形態では、面位置検出のための差信号の値Ｓを求める際に、（Ａ＋Ｂ）あるいはＣの値を用いて正規化している。このため、被検物からの反射光の光量が場所によって変化しても、それに応じたＳの値が求められるので、面位置検出が正確にできる。

また、本実施形態によれば、光量コントローラ１７によって、被検物７からの反射光量
が一定となるように制御しているため、高反射率面から低反射面まで幅広い被検物面に対して光量の調整することができる。

また、従来より焦点ずれの方向がわかる焦点合わせの手法として、ナイフエッジ法があったが、合焦位置以外の情報が多いため、例えば透明体の裏面反射や乳白色の二次光源化で誤差が生じる場合があった。本実施形態では、合焦位置近傍以外からの迷光等がないため、透明、半透明体の被検物面に対しても正確に面位置検出ができる。

さらに、ナイフエッジ法では、焦点位置の変位を光点の横変位に置き換えて検出するため、原理的には異方性を持ち、特に斜面の方向の違いによって誤差を生じる場合があった。本実施形態では、原理的に等方性を有するので、このような誤差は生じない。

本発明の実施の形態による位置検出装置を適用した顕微鏡装置の構成を示す図。 被検物７の位置と第１光量センサ１２及び第２光量センサ１４の検出値との関係を示す図。 第１光量センサ１２、第２光量センサ１４からの出力信号の値Ａ，Ｂと、それらの差信号Ｓとの関係を示す図。

符号の説明

１：レーザダイオード（光）
２：偏光ビームスプリッタ
３：レンズ
４：ダイクロイックミラー
５：対物レンズ
６：１／４波長板
７：被検物
８：ステージ
９，１０：ビームスプリッタ
１１，１３：光絞り部材
１１ａ，１３ａ：ピンホール
１２，１４，１５：光量センサ
１６：面位置検出装置
１７：光量コントローラ
１８：移動装置
１９：共焦点光学系
２０：光学装置
２１：観察光学系

Claims (4)

1. 光源から出射した光を被検査面上に投影する光学系と、前記被検査面からの戻り光を分岐する分岐手段と、前記分岐手段によって分岐された一方の光路に配置された、第１のピンホールを有する第１の光絞り部材と、前記分岐手段によって分岐された他方の光路に配置された、第２のピンホールを有する第２の光絞り部材とを有する共焦点光学系と、
   前記戻り光のうち前記第１のピンホールを通った光の光量を検出する第１の光量検出手段と、
   前記戻り光のうち前記第２のピンホールを通った光の光量を検出する第２の光量検出手段と、
   前記第１の光量検出手段と前記第２の光量検出手段での検出量の差の基づいて、前記被検査面の位置を検出する面位置検出手段とを有することを特徴とする位置検出装置。
2. 請求項１に記載の位置検出装置において、
   前記第１のピンホールと前記第２のピンホールは、前記共焦点光学系の焦点位置と共役な位置から光軸方向にずらして配置され、前記第１のピンホールと前記第２のピンホールとは、互いに逆方向にずらして配置されることを特徴とする位置検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の位置検出装置において、
   前記面位置検出手段は、前記第１の光量検出手段と前記第２の光量検出手段での検出量の差と前記第１の光量検出手段と前記第２の光量検出手段での検出量の和に基づいて、前記被検査面の位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
4. 請求項１又は２に記載の位置検出装置において、
   前記戻り光の光量を検出する第３の光量検出手段を有し、
   前記面位置検出手段は、前記第１の光量検出手段と前記第２の光量検出手段での検出量の差と前記第３の光量検出手段での検出量に基づいて、前記被検査面の位置を検出することを特徴とする位置検出装置。

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