JP2005241935A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
光源からの光束で物体表面を照明しその反射光で物体表面形状を観察する際、物体表面のピント状態を確認できるようにする。
【解決手段】
物体表面を光源からの光束で照明し、その反射光を受光部に投影して表示部でそれを観察するようにした測定光学系を形成する。そしてこの光学系の平行光束中に中心孔と参照孔を持ったピント位置確認用マスク板を設置し、中心孔と参照孔を通過した光束によるマスク像を物体表面で反射させ、受光部を経由して表示部に伝える。表示された２つのマスク像を指標として両者の位置関係から物体表面のピント状態を確認する。


【選択図】 図２

Description

本発明は測定装置に関するもので、物体表面形状を光学系を用いて観察するとき、物体表面でのピント状態を確認し、正確な焦点合わせが行えるようにしたものである。

光源からの光束で物体表面を照射し、その反射光束を用いて表面形状を観察する測定装置は各種使用されていて、自動的に光学系の焦点が合うようにしたオートフォーカス機能を備えた装置も知られている。しかし観察する物体の表面形状が平滑でなく微細な凸凹があるような場合、また室内照明光の影響を受けやすい場所で測定するような場合、さらには測定光学系の光源にタングステンランプなどを使用して照明ムラが発生しやすい場合には、物体表面での焦点合わせが複雑となり精度にバラツキが生じる可能性が高い。又、マニュアル操作の場合には焦点合わせの精度や測定時間に個人差が生じる場合も多い。
このような問題を解決するため、測定光学系の光源にレーザを使用し、その安定した光源からの光束で観察する物体の表面を照射し、その反射光をシリンドリカルレンズを介して受光部に結ばせるようにしたオートフォーカス式の光学系が提案されている。この光学系を図１を用いて説明する。

図１Ａにおいて１は測定光学系で、半導体レーザ光源２からの光はレンズ３によって平行光束となり、ビームスプリッタ４を経て対物レンズ５によってその焦点位置近傍に設置される物体６の観察面上を照射する。物体６表面の観察面が対物レンズ５の焦点位置近傍にあれば、観察面からの反射光がビームスプリッタ４に向かい、そこで９０度反転して結像レンズ７で集光され受光部８に結像する。９は光路中に設置されたＸ、Ｙ方向の２つのシリンドリカルレンズである。受光部８は例えばＣＣＤなどで構成され、その出力は演算部１０に送られてその結果が駆動制御部１１に伝えられ、対物レンズ５を図の矢印で示した光軸方向に移動する。
今、測定光学系１内の対物レンズ５焦点位置近傍に物体６表面が位置しているとすれば、物体６表面からの反射光束は図１Ｂのように円形状になって受光部８の中心部に集光する。図ではこの中心部に集光した円形光束を１２として示してある。このような状態にあるとき演算部１０は、例えば「０」を出力して駆動制御部１１に送り出す。しかし駆動制御部１１は「０」信号のため動作せず、対物レンズ５は静止したままで移動しない。それによって対物レンズ５の焦点位置と物体６の表面位置は一致していて、両者間の距離は「０」と認識される。
物体６の観察面位置に対して対物レンズ５の焦点位置が、図１Ａの６ａの様に光源２から遠ざかる方向に位置して焦点誤差を生じる場合もある。そのときは受光部８に投影される物体表面からの反射光束は、シリンドリカルレンズ９の作用によって図１Ｃの様な右肩上がりの楕円状、若しくは線形状光束１３となる。そのため受光部８からの出力を受けた演算部１０は、例えば「＋」を算出し駆動制御部１１に伝える。すると駆動制御部１１は対物レンズ５を光軸上で光源２から離れる方向に移動する。この移動に伴って受光部８に投影される楕円状光束１３は徐々に図１Ｂの円形状光束１２に近づき、最終的には光束１２となって駆動制御部１１からの信号も停止する。
また物体６の観察面位置に対して対物レンズ５の焦点位置が図１Ａの６ｂのように光源側に位置して焦点誤差を起こす場合もある。このようなとき受光部８に投影される反射光束はシリンドリカルレンズ９の作用によって図１Ｄの様な左肩上がりの楕円状、若しくは線形状光束１４となる。そのため受光部８からの出力を受けた演算部１０は、例えば「−」を算出し駆動制御部１１に伝える。すると駆動制御部１２は対物レンズ５を光軸上で光源側に移動させていく。この移動に伴って受光部８に投影される楕円状光束１４は徐々に図１Ｂの円形状光束１２状態に近づき、最終的には光束１２となって駆動制御部１２からの信号も停止する。

上記のようにシリンドリカルレンズ９を導入した光学系は、物体が６ａ〜６ｂの範囲内にあれば受光部８に結像する反射光束の形状からピント状態を判断できるという優れた利点をもたらす。これは観察する物体の表面形状を直接表示部に表示し、その画像の鮮明度合いからピント状態を判断するというこれ迄の直接画像観察方式から、受光部８に投影される反射光束１２、１３、１４を物体の表面画像に変わる間接的な像として観察するという反射光観察方式に移行することになる。具体的には受光部８に投影される反射光束の形状が、円形１２か楕円状１３、１４かによってピント状態を判断することになるが、物体表面形状の複雑さなどに煩わされずにピント合わせの作業を実施することが出来る。
しかしながらレーザを光源として使用すれば、レーザ光自身が持つ光の性質や観察する物体の表面粗さ程度やその角度などによってスペックル現象が発生する。スペックル現象は良く知られているように、光学系焦点位置と物体表面間の距離が近づけば近づくほど、つまり対物レンズ５の焦点位置と物体表面６位置が一致してくるほどその現象が発生しやすいという性質を持っている。またレーザ光源のスポットを絞って照射面積を小さくすればするほど大きなスペックルが発生しやすくなるというやっかいな性質をも持っている。そのためスペックル現象が発生してしまうと、物体表面からの反射光束が受光部８上に投影されたとき、光束１２、１３、１４として明瞭に区別することが困難になる場合が生じる。そのような場合には測定結果が影響を受けてしまい、正確なピント合わせ作業を実施する事が出来なくなる。
さらにこの図１のような例の場合、焦点誤差を救済できる範囲は前記のように図１Ｂから図１Ｃ、または図１Ｂから図１Ｄまでの範囲に限定される。即ち、図１Ａの物体６位置が６ａから６ｂの範囲内にあれば、シリンドリカルレンズ９の作用によってピント位置を合わせることが出来る。しかし物体６の位置が６ａ〜６ｂの範囲を超えるような場合には、シリンドリカルレンズ９の作用をもってしても救済することは出来ない。そのため位置６ａ〜６ｂの測定可能範囲を超えるような物体を扱う場合、また高さ方向の寸法が多様な各種の物体を測定するような場合には対処することが出来ない。尚、図Ｂ、Ｃ、Ｄにおいて受光部８内に示した十字の線は目安用の目印である。
特開平１０−１６１１９５号公報

本発明は上記問題を解決した測定装置を提供することを目的とする。即ちレーザ光源を使用したとしても、特殊な手段や光学系を設置することなしにスペックル現象の影響を受けにくい測定装置を得ることである。又オートフォーカス式としたときの測定可能範囲領域を拡げ、各種の多様な物体を測定できるようにすることである。さらには測定結果に個人差が生じるのを排除し、安定した正確な観察測定が安価な手段によって達成できるようにすることである。

上記目的を達成するため本発明は、光源からの光束で対物レンズの焦点位置近傍に設置される物体表面を照射し、その反射光を受光部上に投影する測定光学系と、前記受光部からの出力を受けて物体表面を表示する表示部と、前記測定光学系の平行光束中に設置され、光学系中心光軸が通過する中心孔と、軸外光束が通過する参照孔を設けたピント位置確認用マスク板とを有し、ピント位置確認用マスク板の中心孔と参照孔を通過した光束によるマスク像を物体表面で反射させて受光部に投影し、その出力を指標として表示部に表示し物体表面のピント状態を確認するようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明によるものは、光源からの光束で対物レンズの焦点位置近傍に設置される物体表面を照射し、その反射光を受光部上に投影する測定光学系と、前記測定光学系の平行光束中に設置され、光学系中心光軸が通過する中心孔と、軸外光束が通過する参照孔を設けたピント位置確認用マスク板と、このピント位置確認用マスク板の中心孔と参照孔を通過した光束によるマスク像を受けた前記受光部からの出力を受けて、前記対物レンズの焦点位置と物体表面間の距離を演算する演算部とを有し、この演算部からの信号が極値となるまで前記対物レンズを光軸方向に移動するようにしたことを特徴とする。
請求項３の発明によるものは、前記請求項１、２記載の測定装置において中心孔を中心として半径Ｒの位置に参照孔を複数配置したピント位置確認用マスク板としたことを特徴とする。

本発明は、測定光学系の対物レンズ焦点位置近傍に設置される物体表面を光源からの光束で照射し、その反射光束で観察する時、中心孔と参照孔を持ったピント位置確認用マスク板を光学系の平行光束中に設置し、このマスク板に設けた中心孔と参照孔の通過光束による２つのマスク像を物体表面を介して受光部に投影する。この投影されたマスク像をチェック用の指標として表示部に表示し、対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離として認識し、ピント合わせをするようにした事を特徴とする。
このようにしたことによって、表示部に表示された２つの指標の位置関係を確認することでピント状態を把握することができる。それも物体表面からの反射光束が円形状か楕円状かという１つの指標に対して行われる従来判定作業を、２つの指標の位置関係を比較するという判定作業に置き換えることが出来る。そしてこの判定のための比較は両指標が同じ位置上で重なっているか、それとも分離しているかという単純で明瞭なものであるから、判定作業に個人差が生じる事を防ぐことが出来、正確なピント合わせを行うことが出来る。また仮に中心孔と参照孔によるマスク像にスペックルが発生したとしても、マスク像は照射面積が大きいから、その影響を大幅に減少することが出来る。さらに前記のようにマスク像の位置確認によってピント状態を把握するようにしたから、オートフォーカス式としたときも物体位置が６ａ〜６ｂのような測定可能範囲の制約は受けず、拡い領域とすることが出来、各種の多様な物体を測定することが出来る。また測定を行う周囲の環境が室内照明による影響を受けやすい状態にあったとしても、測定用光源としてタングステンランプのように照明ムラが発生しやすいものを使用したとしてもマスク像自身が消滅することはなく、特に中心孔からの光束が投影される位置は常に不変であり、指標としての位置を明確に確認することが出来る。そして更に、このピント位置確認用のマスク板は薄板に小孔を設けるだけでよく、全体として安価に構成することが出来る。

以下に本発明に係わる測定装置について図面を参照しながら説明する。

図２は実施例１を説明するための光学系概略図である。図２Ａにおいて１は図１と同様の測定光学系で、半導体レーザ光源２からの光はレンズ３によって平行光束となり、ビームスプリッタ４を経て対物レンズ５によってその焦点位置近傍に設置される物体６の観察面上を照射する。物体６表面の観察面が対物レンズ５の焦点位置近傍にあれば、観察面からの反射光がビームスプリッタ４に向かい、そこで９０度反転して結像レンズ７で集光され受光部８に投影される。受光部８はＣＣＤなどで構成され、その出力は表示部１５に表示される。１６はピント位置確認用マスク板で、光学系１中のレンズ３と対物レンズ５間の平行光束中に、この例ではビームスプリッタ４の上段に設置される。マスク板１６には図２Ｂの平面図のように光学系１の中心光軸１７が通過する中心孔１８と、距離Ｒだけ隔てられた位置に軸外光束が通過する参照孔１９が設けられる。図２Ｂでは中心孔１８と参照孔１９を丸型と角型としてあるが、その孔の形状と大きさは任意に定められる。
図３は照明光学系３０を前記測定光学系中に設置したときの例で、照明用光源３１からの光束はレンズ３２を経て測定光学系１の中心光軸１７部に設置されたハーフミラー３３に向かう。このミラー３３は図２Ａでは省略されているが、常時光学系１中に設置されていて、照明用光源３１からの光束を反射し、測定用光源２からの光束を通過させ、マスク板１６の中心孔１８からビームスプリッタ４方向に向かわせる。ビームスプリッタ４を通過した照明光束は、対物レンズ５を経て物体６面を照明する。そしてそこで反射した光は測定光学系１で説明したようにビームスプリッタ４に戻り、９０度反転して結像レンズ７から受光部８に達する。この受光部８で受けた像を表示部１５に表示すれば、物体６の表面形状を観察することが出来る。

次に図４、図５、図６として示した説明用光学系概略図を用いて測定光学系１によるピント合わせの動作について説明する。図３は図２Ａと同様に対物レンズ５の焦点位置と物体６の表面位置が一致しているときの光学系１を示している。図２Ａの光源からの光束はレンズ３によって平行光束となり、図４Ａのピント位置確認用マスク板１６に向かう。そして中心光軸１７に沿って進んだ光束はその中心孔１８を通過し、ビームスプリッタ４の反射面２０を通過する。そしてさらに対物レンズ５を経てその焦点位置近傍に設置されている物体６表面上に結像する。図ではこの結像した中心光軸１７上の位置を２１として示してある。物体６で反射した光は、対物レンズ５を経てビームスプリッタ４の反射面２０で９０度反転して結像レンズ７を通過し受光部８に投影される。図ではこの受光部８に投影された中心光軸１７の位置を２２として示してある。そして図４Ｂでは、この受光部８に投影された中心光軸１７上の光束を２３として示してあり、その形状はマスク板１６の中心孔１８によって丸型になっている。
一方、レンズ３によって平行光束となった光束は、参照孔１９をも通過する。この参照孔１９を通過した軸外光束２４は、ビームスプリッタ反射面２０上の位置２０ａを通過する。そして対物レンズ５によって集束され、物体６上の中心光軸１７が結像した位置と同じ位置２１に結像する。その後、物体６に入射した角度と同じ角度θで反射して対物レンズ５からビームスプリッタ４に向かい、その反射面２０上の位置２０ｂで方向を変える。そして結像レンズ７を経て受光部８上の中心光軸１７が結像した位置と同じ位置２２に投影される。図４Ｂではこの受光部８に投影された軸外光束２４の像を２５として示してあり、その形状はマスク板１６の参照孔１９と同じ角型となっている。
以上のように、光源２からの光束はマスク板１６の中心孔１８と参照孔１９を通過し、その光束１７、２４が物体６上で反射され、それがマスク像２３、２５となって受光部８に投影される。この受光部８に図２Ａと同様に表示部１５を接続しておけば２つのマスク像２３、２５が映し出される。今の場合、対物レンズ５の焦点位置と物体６の観察面位置は一致しているから、２つのマスク像２３、２５は中心光軸１７位置で重なって表示され図４Ｂのようになる。この表示された丸型２３と角型２５のマスク像を指標としてその位置関係を確認し、両者が重なっていれば物体６に対する対物レンズ５の焦点位置が一致していると判断する。

上記のようにしてピント合わせ作業が終了すると、図３の照明用光源３１を点灯する。するとその照明用光束は、前記のようにして物体６を照明し、その反射光を受光部８から表示部１５に映し出す。この映し出された像はピントの合った鮮明な画像として観察することが出来る。この照明光を与えて物体６の表面を観察するときは、光学系中に設置したピント位置確認用マスク板１６を取り外してから物体６を照明するようにする事もできる。図ではこの着脱手段は省略してあるが、ピント位置を確認するためマスク板１６を光学系内に設置したときは、中心孔１８と中心光軸１７とが一致するよう準備しなければならない。そしてこのマスク板１６を光学系１中から取り外すときに、同時に照明用光学系のハーフミラー３３を光学系内に挿入するようにすれば、測定光学系１による指標の明るさを向上することが出来る。
尚、マスク板１６を光学系１中に設置してピント合わせの作業を行うとき、物体６表面上でスペックル現象が発生する可能性がある。しかしこのマスク板１６に設けた中心孔１８と参照孔１９によって形成される物体表面上のマスク像２３、２５サイズは大きいのでその影響は受けにくくなる。また中心光軸１７位置に相当する受光部８上の位置２２には必ずマスク像２３が投影されるから、マスク像２３の形状がスペックルによって多少の変化を受けたとしても、その投影される位置は常に不変であり原点指標として確認することが出来る。この原点指標２３に対して軸外光束による参照用のマスク像２５の位置を比較すれば、その位置関係を正しく把握することが出来る。

次に図５について説明する。この例は物体６の観察面位置が対物レンズ５の焦点位置に対して、図２Ａの６ａのような位置で光源２から遠ざかる方向に焦点誤差を起こしているときの光学系１を示している。図５Ａにおいて光源からの光束は図２のレンズ３によって平行光束となり、光学系１の中心光軸１７に沿って進んだ光束は、図４Ａと同様にピント位置確認用マスク板１６の中心孔１８を通過し、ビームスプリッタ４、対物レンズ５を経て物体６ａ上の中心光軸１７上の位置２１に向かう。そこで反射した光束は対物レンズ５、ビームスプリッタ４、結像レンズ７を経て受光部８上の中心光軸位置２２に投影される。この投影されたマスク像を図５Ｂでは丸型２３として示してある。
一方、レンズ３によって平行光束となった光束の内、参照孔１９を通過した軸外光束２４は図４Ａと同じようにビームスプリッタ４の反射面位置２０ａを通過する。ここを通過した光束は対物レンズ５によって集束され物体６ａに向かうが、物体６ａの設置されている位置が、図４Ａに示した正規の位置６から例えば距離Ｌ１だけずれた位置６ａとなっているため、対物レンズ５からの光束は距離Ｌ１に対応する分だけ中心光軸１７上の位置２１から離れた位置２１ａに向かう。そして物体６ａに入射した角度と同じ角度θで反射して対物レンズ５からビームスプリッタ４に向かい、その反射面２０上の位置２０ｃで方向を変え結像レンズ７に向かう。ビームスプリッタ４の反射面位置２０ｃは物体６の位置が距離Ｌ１分だけ移動したことによって決められる位置で、このような位置２０ｃで反射した光束は結像レンズ７から受光部８上の位置２２ａに投影される。図５Ｂではこの受光部８に投影された軸外光束２４によるマスク像２５ａを角型として示したが、その投影される位置２２ａは中心光軸上の位置２２から距離Ｌ２分だけ離れた位置であり、距離Ｌ２は前記した距離Ｌ１によって決められる。
以上のようにこの場合も、光源２からの光束のうちマスク板１６に設けた中心孔１８と参照孔１９を通過した光束１７、２４が物体６ａに向かう。そしてその物体６ａ上の位置２１と２１ａで反射された光束は、受光部８上の位置２２と２２ａに、中心孔１８のマスク像２３と参照孔１９のマスク像２５ａとして投影される。この投影された状態を表示部１５で確認すれば、距離Ｌ２だけ分離した丸型と角型の指標として確認することができる。それによって物体６ａに対する光学系のピント位置はＬ２分ずれていると判断する。

２つの指標２３、２５ａが分離していることを表示部１５で確認したら、この例の場合、手動で対物レンズ５を光軸方向に移動する。この移動により表示部１５の２つの指標２３、２５ａ間の距離Ｌ２が延びた場合には、物体６ａに対する対物レンズ５の移動方向が逆であるとして反対方向に対物レンズ５を移動する。すると２つの指標間距離Ｌ２は徐々に狭まり図４Ｂの状態に近づいていく。この間、光軸上の位置２２に投影されているマスク像２３の位置は常に不変であり、この位置を原点として参照用マスク像２５ａが徐々に近づいていく。そして両マスク像が一致するとマスク像２５ａは図４Ｂのマスク像２５となり、その時点で対物レンズ５の移動を停止する。この重なった状態を確認したときピント位置が一致したと判断する。逆にこの図５Ｂの例のように中心の基準マスク像２３に対して下側の位置に参照用のマスク像２５ａが表示されているときは、物体位置６ａが基準位置６に対して後側になって焦点誤差を起こしていると認識することが出来る。また両マスク像が重なってくるにしたがって、中心孔と参照孔を通過した光束による光量が１カ所に集中してくるから、輝度が増加し、ピント位置が一致したことの確認がしやすくなる。それによって測定用光源２としてレーザ光源をタングステンランプなどに変えて使用したとき、発生しやすい照明ムラによる影響を減少化することが出来る。同じように室内に設置された蛍光灯などの外部光による影響が、物体表面に生じるようなことが起きたとしても、ピントが一致してくるに従って指標の区別は明瞭になっていく。

上記のようにしてピント合わせ作業が終了すると、前記図３で説明したように光源３１からの光束で物体６を照明する。そしてその反射光束を受光部８で受けて表示部１５に表示すれば、設定位置の調整された対物レンズ５によってピントの合った鮮明な画像を観察することが出来る。この場合、図４Ａで説明したようにマスク板１６を光学系１から外して物体６を照明するようにすることもできる。勿論、２つの光源２、３１を同時に点灯しておけば、表示部１５に２種の指標２３、２５と、物体表面の画像を映し出す事が出来る。光学系１が図４Ａのようにピント状態があった状態にあれば、鮮明な物体表面画像中に２種の指標が映し出される。また図５Ａのようにピント誤差が生じているときは、不鮮明な物体表面画像中に鮮明な指標が映し出される。

次に図６について説明する。この例は物体６の観察面位置が対物レンズ５の焦点位置に対して、図２Ａの６ｂのような位置で光源２に近づく方向に焦点誤差を起こしているときの光学系１を示している。図６Ａにおいて光源からの光束は図２のレンズ３によって平行光束となり、光学系１の中心光軸１７に沿って進んだ光束は、前述の場合と同様の光路を通って受光部８上の中心光軸位置２２に投影される。この投影されたマスク像を図６Ｂでは丸型２３として示してある。
一方、レンズ３によって平行光束となった光束の内、参照孔１９を通過した軸外光束２４は図４Ａと同じようにビームスプリッタ４の反射面２０ａを通過する。ここを通過した光束は対物レンズ５によって集束され物体６ｂに向かうが、物体６ｂの設置されている位置が、図４Ａに示した正規の位置６から例えば距離Ｌ１だけ上方にずれた位置となっているため、対物レンズ５からの光束は距離Ｌ１に対応する分だけ中心光軸１７上の位置２１から離れた位置２１ｂに向かう。そして物体６ｂに入射した角度θと同じ角度で反射して対物レンズ５からビームスプリッタ４に向かい、その反射面２０上の位置２０ｄで方向を変え結像レンズ７に向かう。この反射面位置２０ｄは物体６の位置が距離Ｌ１分だけ光源側に移動したことによって与えられる位置で、このような位置２０ｄで反射した光束は結像レンズ７から受光部８上の位置２２ｂに投影される。図６Ｂではこの受光部８に投影された軸外光束２４によるマスク像２５ｂを図５Ｂの２５ａと同じ角型として示したが、この投影される位置２２ｂは中心光軸上の位置２２から距離Ｌ２分だけ上方に離れた位置であり、距離Ｌ２は前記した距離Ｌ１によって決められる。
以上のようにこの場合も、光源２からの光束のうちマスク板１６に設けた中心孔１８と参照孔１９を通過した光束１７、２４が物体６ｂに向かう。そしてその物体６ｂ上の位置２１と２１ｂで反射された光束は、受光部８上の位置２２と２２ｂに、中心孔１８のマスク像２３と参照孔１９のマスク像２５ｂとして投影される。この投影された状態を表示部１５で確認すれば、距離Ｌ２だけ分離した丸型と角型の指標として確認することができる。それによって物体６ｂに対する光学系のピント位置はＬ２分だけずれていると判断する。

２つの指標２３、２５ｂが分離していることを表示部１５で確認したら、手動で対物レンズ５を光軸方向に移動して表示部１５の２つの指標２３、２５ｂ間の距離Ｌ２を縮めていく。すると２つの指標間距離Ｌ２は徐々に狭まり図４Ｂの状態に近づいていく。この間、中心マスク像２３位置は常に原点位置として不変であり、この位置に参照用マスク像２５ｂが徐々に近づいていく。両マスク像が重なって一致したら対物レンズ５を停止し、ピント位置が一致したと判断する。また図６Ｂの様に中心の基準マスク像２３に対して上側の位置に参照用のマスク像２５ｂが表示されているときは、物体位置６ｂが基準位置６に対して前側になっていると認識することが出来る。

上記のようにしてピント合わせ作業が終了すると、前記図４Ａで説明したように光源３１からの光束で物体６を照明する。そしてその反射光束を受光部８で受けて表示部１５に表示すれば、ピントの合った鮮明な画像を確認することが出来る。

次に図７を用いて実施例２について説明する。この実施例は図２に示したピント位置確認用マスク板１６の参照孔１９を複数にし、更に光学系１をオートフォーカス方式としたものである。
図７Ａは光学系の焦点位置と物体表面位置が一致しているときのもので、光源２からの平行光束となった光束は、図２Ａ、図４Ａと同様に位置確認用マスク板１６ａを照明する。このマスク板１６ａは図７Ｂにその平面図を示したように、丸型の中心孔１８を中心として長さＲを半径とする円周上に４つの角型参照孔１９ａ〜１９ｄが設けられている。光学系の中心光軸１７に沿って進んだ光束は、このマスク板１６ａの丸型中心孔１８を通過し、前述実施例１の場合と同様にビームスプリッタ４、対物レンズ５を経て、その焦点位置近傍に設置された物体６に向かう。そして中心光軸１７上の位置２１で反射し、対物レンズ５、ビームスプリッタ４、結像レンズ７を経て受光部８に投影される。この投影される受光部８上の位置は光軸１７上の位置２２であり、図７Ｅにはこれを丸型のマスク像２３として示した。ＣＣＤなどで構成した受光部８に投影されたマスク像２３は、後に説明する軸外光束からの角型マスク像２５と共に光電変換され演算部１０に送られる。そして受光部８に投影された２種の光束２３、２５によって作り出される拡がり面積が求められ、その結果が駆動制御部１１に伝えられる。この場合の拡がり面積は、まだ中心孔１８からのマスク像２３だけなので、このマスク像２３の面積が拡がり面積となる。駆動制御部１１は伝えられた拡がり面積に相当する分の移動量を対物レンズ５に伝え、それを光軸１７上で移動させて物体６に対するピント位置を調整する。

レンズ３によって平行光束となった光束の内、参照孔１９ａを通過した軸外光束２４ａはビームスプリッタ４の反射面位置２０ａを通過し、対物レンズ５によって物体６上の中心光軸位置２１に向かう。そして物体６に入射した角度θと同じ角度で反射して対物レンズ５からビームスプリッタ４に向かい、その反射面位置２０ｂで方向を変える。そして結像レンズ７を経て受光部８上の中心光軸位置２２に投影される。図７Ｅにこの軸外光束２４ａによる角型のマスク像２５ａを示した。
この角型マスク像２５ａが受光部８に投影されたとき、参照孔１９ａの反対側に位置している参照孔１９ｃからも軸外光束２４ｃが通過する。この参照孔１９ｃは、前記したように中心孔１８位置から長さＲの位置に参照孔１９ａと相対して設けられているから、軸外光束２４ｃはビームスプリッタ４の反射面位置２０ｂを通過し、対物レンズ５で集束され物体６上の中心光軸位置２１に向かう。そして角θで反射して対物レンズ５からビームスプリッタ４の反射面位置２０ａで方向を変え、結像レンズ７を経て受光部８の中心光軸上位置２２に投影される。図では便宜上、前記した参照孔１９ａの通過光束２４ａがビームスプリッタ４の反射面位置２０ａから物体６上の位置２１を経てビームスプリッタ反射面位置２０ｂに向かう光束と、参照孔１９ｃを通過した光束２４ｃが反射面位置２０ｂ、物体上の位置２１、反射面位置２０ａに向かう光束を２つの光路として別々に表記してある。受光部８の中心光軸位置２２に投影された軸外光束２４ｃは、図７Ｅのように角型マスク像２５ｃとして前記のマスク像２５ａ上に重なって投影される。
参照孔１９ａ、１９ｃを軸外光束が通過するときは、残り２つの参照孔１９ｂ、１９ｄも同時に通過する。そしてその軸外光束２４ｂ、２４ｄ（図７Ａでは未表記）は、いずれも物体６上の中心光軸位置２１で反射し、受光部８の中心光軸位置２２に投影される。従って受光部８上では、中心孔１８による丸型マスク像２３と、４つの参照孔１９ａ〜１９ｄによる角型マスク像２５ａ〜２５ｄが同時に投影され、しかも４つの角型マスク像２５は同じ位置に重なって投影されるから図７Ｅのような状態となる。即ち、５つのマスク像２３、２５ａ〜ｄが全て中心光軸上の位置２２に集合して投影された状態となる。
尚、図２〜６の場合も含めてマスク板の中心孔１８は、参照孔１９に比して小サイズとした例となっている。そのため両孔を通過した光束が受光部上に投影されたとき、ピントが合った状態であれば図４Ｂ、または図７Ｅのように角型マスク像２５内に丸型マスク像２３が位置するようになる。勿論、両者の関係は逆転させたり同じサイズにすることが出来るが、受光部上に投影されるときのサイズは対物レンズ５と結像レンズ７の倍率によって決定されるから、両孔１８、１９のサイズはそれらを考慮して定めればよい。さらに中心孔１８と参照孔１９の形状は丸型と角型だけでなく、丸型と丸型としたり、丸型とドーナツ型とするなど、任意に定められることは前記したとおりである。丸型マスク像２３と角型マスク像２５を色違いとすることもできる。例えば光源２を赤色発光するものとしたときマスク板１６の中心孔１８はそのまま通過させ、参照孔１９には色つきのフイルタを貼っておくことによって色違いのマスク像を得ることが出来る。

演算部１０は、受光部８に投影された光束からその全体の拡がり面積を求める。この場合、前記したように受光部８に投影された全マスク像は中心光軸上の位置２２に集合しているから、全マスク像の拡がり面積は１つの角型マスク像、例えば２５ａと同じになる。この時の値を最小拡がり面積とすれば、演算部１０はこの最小拡がり面積が得られるまで信号を駆動制御部１１に伝えて対物レンズ５を移動していく。そして図７Ｅのように全マスク像が重なって拡がり面積が最小となったとき、それを極値信号として駆動制御部１１に伝える。すると駆動制御部１１は動作を止め、対物レンズ５もその位置で停止する。それによってピント位置が合ったと判断する。

次に対物レンズ５に対する物体６の位置が図２Ａに示した６ａ、６ｂのような位置にあり、焦点誤差があってピント合わせの動作が必要な場合について説明する。この焦点誤差があるとき軸外光束２４ａ〜２４ｄによって形成されるマスク像２５ａ〜２４ｄは、受光部８上の中心光軸位置２２から距離Ｌ２離れた位置に図７Ｃのように投影される。仮に物体の位置が図２Ａの６ａにあるとすれば参照孔１９ａは２５ａ、１９ｂは２５ｂ、１９ｃは２５ｃ、１９ｄは２５ｄとそれぞれ分離して投影される。このように分離して投影されると、演算部１０は拡がり面積を
マスク像２３＋２５ａ＋２５ｂ＋２５ｃ＋２５ｄ
として求め、その合算した値を全体の拡がり面積として算出する。そして前記の最小面積を求めるため「＋」信号を駆動制御部１１に伝える。すると駆動制御部１１は対物レンズ５を光軸上で移動し距離Ｌ２の値を小さくしていく。それにともなって受光部８上では、図７Ｄのようにマスク像２５ａ〜２５ｄが徐々に中心光軸部に集合していく。するとマスク像２３と軸外光束によるマスク像２５ａ〜２５ｄはその一部が重なってくるから、拡がり面積は重なり合った部分だけ減少し、その結果が駆動制御部１１に伝えられていく。
この間、演算部１０は継続して「＋」信号を発信し、駆動制御部１１は対物レンズ５を移動していく。そして演算部１０が最小になったと判断すると、「＋」信号を止めて極値信号を出力する。このとき受光部８上では図７Ｅのように中心光軸位置２２上で中心マスク像２３と全軸外マスク像２５が一致して重なった状態となり、ピント位置が検出されたと判断されて対物レンズ５の移動が停止する。
物体が図２Ａの６ｂのような位置にある場合についても、上記と同様に受光部上で図７Ｃ、Ｄの様な経過を経て図Ｅのような状態となる。但し、この間の説明は前記の説明と重複することになるので省略する。
以上のように拡がり面積が受光部８上で最小となるまで対物レンズ５を移動してピント合わせの動作を進めて行く。このときマスク像２３、２５は拡がり面積を求めるときの指標として検出される。そして複数（この場合４つ）の参照孔１９としたことによって対比が容易となり、物体６上で１つ１つがスペックルなどの影響を受けたとしても、受光部８上では重なり合って互いに補うようになり、明瞭な指標として確認する事が出来る。更に上記説明は、図２などによる実施例１の場合も含めて物体６に対する光学系１の焦点位置が、基準位置とそれ以外の位置６ａ、６ｂにある時を例としている。これは図１の説明に合わせたためであるが、本発明ではマスク板１６による指標位置を確認することでピント状態を把握できるようにしているから、図１Ａで説明したシリンドリカルレンズ９の制約を受けることはなく、それによって測定可能範囲６ａ〜６ｂの間隔を大きく拡げることが出来る。

次に図８、９を用いて実施例３について説明する。この実施例は図２に示したピント位置確認用マスク板１６をビームスプリッタ４の後段に移し、更に受光部をフォトダイオードで構成してある。
図８Ａにおいてレンズ３を経て平行光束となった光束は、ビームスプリッタ４を経た後に図２Ａ、図４Ａ、図７Ａと同様なピント位置確認用マスク板１６ｂを照明する。このマスク板１６ｂには図８Ｂにその平面図を示したように、丸型の中心孔１８を中心として左右Ｒの位置に角型参照孔１９ａ、１９ｃが設けられている。光学系１の中心光軸１７に沿って進んだ光束は、このマスク板１６ｂの丸型中心孔１８を通過し対物レンズ５を経て物体６に向かう。そしてその中心光軸上の位置２１で反射し、対物レンズ５、マスク板１６ｂの中心孔１８、ビームスプリッタの反射面２０、結像レンズ７を経てフォトダイオードで構成した受光部８Ｐ上の光軸位置２２に投影される。図Ｃにはこれを丸型マスク像２３として示した。受光部８Ｐに結像した丸型マスク像２３は、後に説明する軸外光束からの角型マスク像２５と共に光電変換され、図７Ａに示した演算部１０に送られる。そして受光部８Ｐに結像した全マスク像２３、２５の光量が求められ、その値が駆動制御部１１に伝えられる。駆動制御部１１は伝えられた光量に相当する分の移動量を対物レンズ５に伝え、それを光軸１７上で移動させて物体６に対するピント位置を調整する。

レンズ３によって平行光束となった光束の内、参照孔１９ａを通過した軸外光束２４ａは対物レンズ５によって集束され物体６上の中心光軸位置２１に向かう。そして物体６に入射した角度θと同じ角度で反射して対物レンズ５からマスク板１６ｂの参照孔１９ｃを通過し、ビームスプリッタ４の反射面位置２０ｂで方向を変える。そして結像レンズ７を経て受光部８Ｐ上の中心光軸位置２２に投影される。図８Ｃにこの軸外光束２４ａによる角型マスク像２５ａを示した。
この角型マスク像２５ａが受光部８Ｐに投影されたとき、マスク板１６ｂの参照孔１９ｃも軸外光束２４ｃが通過する。この参照孔１９ｃを通過した軸外光束２４ｃは前記の軸外光束２４ａと同じように物体６上で反射し、マスク板１６ｂの参照孔１９ａを通過してビームスプリッタ４の反射面位置２０ａで方向を変え、受光部８Ｐの中心光軸上位置２２に投影される。図では便宜上、この２つの軸外光束２４ａ、２４ｃの光路を別々のものとして表記したが、軸外光束２４ｃによる角型マスク像２５ｃは前記のマスク像２５ａ上に重なって投影されることになる。

図８では省略してある演算部１０は、この受光部８に投影された全てのマスク像から全体光量を求める。この場合、全マスク像は中心光軸上の位置２２に１つに重なって集合しているが、その光量は中心マスク像２３と２つの軸外マスク像２５によるものとが加算された値となる。この時の値を最大光量とすれば、演算部１０はこの最大光量が得られるまで信号を駆動制御部１１に伝えて対物レンズ５を移動していく。そして図８Ｃのように全マスク像が重なって光量が最大となったとき極値信号を出力する。駆動制御部１１はこの信号を受けて動作を止め、対物レンズ５もその位置で停止する。それによってピント位置が合ったと判断する。

次に図９を用いて対物レンズ５に対する物体位置が６ｂのような位置にあり、ピント合わせの動作が必要な場合について説明する。この焦点誤差があるときの参照孔１９ａを通過した光束２４ａは、対物レンズ５によって集束され物体上に向かうが、その光束は物体位置が、例えば距離Ｌ１分だけ変化しているので位置２１ｂで反射する。そしてその入射角度θと同じ角度で反射した光束は、対物レンズ５を経てマスク板１６ｂに向かう。しかしその光束は前記のように物体上の反射位置が２１ｂに変化したことによって参照孔１９ｃを通過することが出来ず遮断されてしまう。同じように図９Ａではその光路を省略してあるが、参照孔１９ｃを通過して物体６ｂ上で反射する光束２４ｃも参照孔１９ａを通過することが出来ず遮断されてしまう。従って受光部８Ｐに投影されるマスク像は中心光軸１７に沿って進んできた光束だけのものとなる。図９Ｂにこの中心孔１８を通って中心光軸上の位置２２に投影されたマスク像２３を示した。
演算部１０はこの中心マスク像２３によって得られる光量を受光部８Ｐから受けるが、前記の図８で説明した最大光量を求めるため「−」信号を駆動制御部１１に伝える。駆動制御部１１は対物レンズ５を光軸上で移動し距離Ｌ１の値を小さくしていく。すると受光部上には図９Ｃのように参照孔１９ａ、１９ｃを通過して投影されるマスク像２５ａ、２５ｃが徐々に現れ始め、中心光軸部２２に投影されていく。そのため対物レンズ５が光軸方向に移動してピント状態が良くなるにしたがって、マスク像２５ａ、ｃによってもたらされる光量が増えていき、演算部１０の演算値も増加していく。
この間、演算部１０は継続して「−」信号を発信し、駆動制御部１１は対物レンズ５を移動していく。そして演算部１０が最大の極値になったと判断すると「−」信号を止め、極値信号を出力する。このとき受光部８Ｐ上では図９Ｄのように中心光軸位置２２上で中心マスク像２３と２つの軸外マスク像２５ａ、ｃが一致して重なった状態となり、対物レンズ５の移動が停止する。

物体が図９Ａの６ａのような位置にあるときについて説明する。マスク板１６ｂの参照孔１９ｃを通過した光束２４ｃは、対物レンズ５によって集束され物体上に向かう。しかしその光束は物体位置が例えば距離Ｌ１分だけ変化しているので、光軸位置２１より外れた位置２１ｃで反射する。そしてその入射角度θと同じ角度で反射した光束は、対物レンズ５からマスク板１６ｂに向かう。だがその光束は物体上の反射位置が２１ｃに変化したことによって参照孔１９ａを通過することが出来ず遮断されてしまう。同じように図ではその光路を省略してあるが、参照孔１９ａを通過して物体６ａ上で反射した光束２４ａも、参照孔１９ｃを通過することが出来ず遮断されてしまう。従って受光部８Ｐに投影されるマスク像は中心光軸１７に沿って進んだものだけとなる。図９Ｂにこの中心孔１８を通って中心光軸位置２２に投影されたマスク像２３を示した。演算部１０はこの中心マスク像２３によって得られる光量から、最大光量を求めるための「＋」信号を駆動制御部１１に送り対物レンズ５を移動する。以後、前述の物体６ｂの時と同じ動作を行って極値を求め、対物レンズ５の位置を調整する。
以上のようにマスク板１６ｂの中心孔と参照孔を通過した光束による光量が、受光部８Ｐ上で最大となるまで対物レンズ５を移動してピント合わせの動作を進めて行くが、受光部８Ｐ上に投影された２種のマスク像２３、２５は光量を求めるときの指標として検出される。

以上のように図７の実施例２では、受光部８が受けた中心孔１８と参照孔１９の通過光束によるマスク像２３、２５からその拡がり面積を求め、その面積が最小となる極値が検出されるまで対物レンズ５を光軸方向に移動させるようにしている。また図８などによる実施例３では、受光部８が受けた中心孔１８と参照孔１９のマスク像２３、２５から光量を求め、その光量が最大となる極値が検出されるまで対物レンズ５を光軸方向に移動させるようにしている。このように両者が検出する対象は最小の拡がり面積と最大の光量という差はあるが、中心孔と参照孔のマスク像２３、２５を受光部８に投影し、その出力が極値となるまで対物レンズ５を光軸方向に移動させるという点では一致している。また測定光学系１と照明光学系３０の構成は最も単純な形としてあるが、用途に応じて種々変換できることは明らかである。さらに図３で説明した照明光学系３０は測定光学系１と一部を共通したものとしてあるが、照明光学系を分離独立して別個の光学系となし、２つの光学系を並立させるようにすることもできる。

従来の一般的な測定装置光学系を示した説明図。 実施例１を説明するための光学系概略図。 実施例１の光学系中に照明光学系を設置したときの光学系概略図。 実施例１の動作を説明するための光学系概略図。 実施例１の動作を説明するための光学系概略図。 実施例１の動作を説明するための光学系概略図。 実施例２を説明するための光学系概略図。 実施例３を説明するための光学系概略図。 実施例３の動作を説明するための光学系概略図。

符号の説明

１・・・測定光学系 ２・・・半導体レーザ光源 ３・・・レンズ ４・・・ビームスプリッタ ５・・・対物レンズ ６・・・物体 ７・・・結像レンズ ８・・・受光部 ９・・・シリンドリカルレンズ １０・・・演算部 １１・・・駆動制御部 １５・・・表示部 １６・・・ピント位置確認用マスク板 １７・・・中心光軸 １８・・・中心孔 １９・・・参照孔 ２０・・・反射面 ２１・・・物体上の光軸位置 ２２・・・受光部上の結像位置 ２３・・・丸型中心マスク像 ２４・・・軸外光束 ２５・・・角型軸外マスク像 ３０・・・照明光学系 ３１・・・照明用光源 ３２・・・レンズ ３３・・・ハーフミラー

Claims (3)

1. 光源からの光束で対物レンズの焦点位置近傍に設置される物体表面を照射し、その反射光を受光部上に投影する測定光学系と、前記受光部からの出力を受けて物体表面を表示する表示部と、前記測定光学系の平行光束中に設置され、光学系中心光軸が通過する中心孔と軸外光束が通過する参照孔を設けたピント位置確認用マスク板とを有し、ピント位置確認用マスク板の中心孔と参照孔を通過した光束によるマスク像を物体表面で反射させて受光部に投影し、その出力を指標として表示部に表示し物体表面のピント状態を確認するようにしたことを特徴とする測定装置。
2. 光源からの光束で対物レンズの焦点位置近傍に設置される物体表面を照射し、その反射光を受光部上に投影する測定光学系と、前記測定光学系の平行光束中に設置され、光学系中心光軸が通過する中心孔と、軸外光束が通過する参照孔を設けたピント位置確認用マスク板と、このピント位置確認用マスク板の中心孔と参照孔を通過した光束によるマスク像を受けた前記受光部からの出力を受けて、前記対物レンズの焦点位置と物体表面間の距離を演算する演算部とを有し、この演算部からの信号が極値となるまで前記対物レンズを光軸方向に移動するようにしたことを特徴とする測定装置。
3. 中心孔を中心として半径Ｒの位置に参照孔を複数配置したピント位置確認用マスク板としたことを特徴とする前記請求項１、２記載の測定装置。