JP2006154693A - オートフォーカス装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】オートフォーカス装置1は、被測定物7に対向した対物レンズ8Aを介して、前記被測定物7を撮影する第1の撮像手段9Aと、この撮像手段9Aとフォーカス方向に一定距離αだけ隔てた位置に配置されて被測定物を撮影する第2の撮像手段9Bと、測定物7の表面に所定のパターンを投影するためのパターン投影手段3と、被測定物7からの反射光を対物レンズ8Aを介して前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段に導くハーフミラー(光学系)11及び12と、撮像手段9A及び撮像手段9Bの画像データに基づいて被測定物7の明るさに関するデータの分布を求める制御手段6と、制御手段6の指令によって駆動され、対物レンズ8Aをフォーカス方向に移動させる移動手段5Aとを備えている。
【選択図】 図1
Description
一方、被測定物の測定面のコントラストを上げるために同測定面に所定のパターンを投影する投影手段と1つの観察光学系(CCDカメラ)とによって構成されるオートフォーカス装置が知られている(特許文献2参照)。
特許文献1 特開平4−260015号公報
特許文献2 特開平9−304685号公報
即ち、請求項1に係るオートフォーカス装置は、被測定物に対向した対物レンズを介して、前記被測定物を撮影する第1の撮像手段と、同第1の撮像手段とフォーカス方向に一定距離隔てた位置に配置されて前記被測定物を撮影する第2の撮像手段と、前記測定物に所定のパターンを投影するためのパターン投影手段と、前記被測定物からの反射光を前記対物レンズを介して前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段に導く光学系と、前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段の画像データに基づいて前記被測定物の明るさに関するデータの分布を求める制御手段と、同制御手段の指令によって駆動され、前記対物レンズを前記フォーカス方向に移動させる移動手段とを備えたことを特徴としている。
前記被測定物の少なくとも一つの設定箇所を前記対物レンズの直下に位置させた後、前記対物レンズを前記フォーカス方向に移動させながら前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段によって前記設定箇所を撮影することによって得られた前記第1の撮像手段と第2の撮像手段の画像データに基づいて得られた明るさに関するデータのそれぞれの最大値を求めた後、
前記それぞれの最大値に対応した前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段のフォーカス位置の間に前期設定箇所が挟まれた状態になるように、前期対物レンズを前記フォーカス方向に移動させた後、
前期設定箇所が挟まれた状態を保ちつつ、前記設定箇所から測定箇所まで前記対物レンズと、前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段と、前記光学系と、前記投影手段と、を被測定物に平行に相対移動させた後、前記対物レンズを前記第1の撮像手段又は第2の撮像手段の前記明るさに関するデータが最大値となるフォーカス位置へ移動させることを特徴としている。
請求項1に係るオートフォーカス装置によれば、2つの撮像手段のうちの1つが撮影用撮像手段を兼ねるため、従来のオートフォーカス用撮像手段と撮影用撮像手段とが別々である装置のようなオートフォーカス検知用の撮像手段と撮影用の撮像手段との経時変化等による機械的位置ズレによって生じる撮影用の撮像手段のフォーカス合わせ方向の判断が不要であり、オートフォーカス動作が極めて短時間に行える。
まず、本発明の一実施の形態に係るオートフォーカス装置について説明すると、図1に示すように、オートフォーカス装置1は撮像光学系2と、パターン投影手段3と、照明手段4と、移動手段5Aと、移動手段5Bと、制御手段6とを備えている。
また、撮影光学系2は後述する移動手段5Bによって前記フォーカス方向(対物レンズ8Aの光軸方向(Z軸方向))に移動可能にされたベース13に設けられている。
第1の撮像手段9A及び第2の撮像手段9Bは焦点深度が数μmの同一性能のものが好ましく、前記一定距離αの値は数十μmが好ましい。
また、移動手段5Bは、ベース13を前記Z軸方向に移動させるための移動機構17Bと、移動機構17Bを駆動するためのモータ18Bと、ベース13の前記Z軸方向の位置検出器20Bとからなり、モータ20Bはモータドライバ19Bにより駆動されるようになっている。
まず図4に示すように、ティーチング動作(ステップ1)によって被測定物7が載置された前記測定装置のXYステージ1Aの駆動手段が作動され、被測定物7の選定された一つの設定箇所(ティーチング位置)が対物レンズ8Aの直下に位置するように移動される。
そして予め前記投影板14がセットされたパターン投影手段4の投影用光源15が作動されて、ついで移動手段5Bによってベース13が前記フォーカス方向(Z軸方向)の所定の高さまで降下された後、第1の撮像手段9Aと、第2の撮像手段9Bが作動される。
その後、移動手段5Aのモータ22Aが作動され、前記被測定物7の選定された一つの設定箇所の表面に向かって対物レンズ8Aが前記Z軸方向に一定速度で降下されて、第1の撮像手段9A及び第2の撮像手段9Bによるフォーカス位置の初期サーチ処理動作がおこなわれる。
また、第1の撮像手段9A及び第2の撮像手段9Bの画像データに基づいて得られる明るさに関するデータ(AFV)の分布は図5のa、bに示すように第1の撮像手段9Aと第2の撮像手段9Bとがフォーカス方向に前記一定距離α(図2参照)だけ隔てられている関係で、対物レンズ8AのZ軸方向位置検知器20Aの数値で示される前記Z軸方向の第1の撮像手段9A、第2の撮像手段9Bのフォーカス位置Z1、Z2において、それぞれ最大(AFVmax)となって現われており、このZ1、Z2が撮像手段9A及び第2の撮像手段9Bの最適フォーカス位置となっている。そして、Z軸方向のZ1、Z2の位置の差が前記一定距離αに一致している。
尚、前記初期フォーカス設定範囲は対物レンズ8Aの倍率、被測定物7のうねりの量、オートフォーカスの処理時間などに合わせて最適値が、入力手段26によって入力される。
そして、前記初期フォーカス設定範囲の最大値は前記一定距離αである。
この移動中に、第1の撮像手段9A、第2の撮像手段9Bの画像データに基づいて得られるAFVが画像処理部23で作成され、その際、被測定物7が例えば図7に示すように右上がりに傾いている場合は、第1の撮像手段9A、第2の撮像手段9Bの画像データに基づいて得られたAFVが互いに異なるので、それらのAFVの差が画像処理部24で演算されてその差が所定の範囲内(対物レンズ8Aが初期フォーカス設定範囲内に存在する状態)となるように制御部25の指令によってモータ18Aが作動されて、対物レンズ8Aが図7で上方に移動されることによって、常に、第1の撮像手段9A、第2の撮像手段9Bの最適フォーカス位置Z1、Z2の間の前記初期フォーカス設定範囲内に被測定物7の表面を挟んだ状態が維持される。
被測定物7が右下がりに傾いている場合は、対物レンズ8Aは図7で下方に移動されて、また被測定物7が傾いていない場合は対物レンズ8AはZ軸方向に移動されず前記初期フォーカス位置で維持されて、常に、第1の撮像手段9A、第2の撮像手段9Bの最適フォーカス位置Z1、Z2の間の前記初期フォーカス設定範囲内に被測定物7の表面を挟んだ状態が維持される。
そして、第1の撮像手段9A又は第2の撮像手段9Bのいずれか一方を撮影用撮像手段として前記被測定物7の測定箇所の表面に最適にフォーカス合わせを行う。
この場合、記被測定物7の測定箇所の表面を挟んで、Z軸方向上下に第1の撮像手段9A又は第2の撮像手段9Bの最適フォーカス位置が存在しているので、前記Z1とZ2の間において対物レンズ8AをZ軸方向に移動させることにより、第1の撮像手段9Aの最適フォーカス位置Z1又は第2の撮像手段9Bの最適フォーカス位置Z2を前記被測定物7の測定箇所の表面に合わせることが迅速、的確にできる。
そして2つの撮像手段9A、9Bのうちの1つが撮影用撮像手段を兼ねるため、従来のオートフォーカス用撮像手段と撮影用撮像手段とが別々に用意された装置のように、オートフォーカス用撮像手段と撮影用撮像手段との経時変化等による機械的な位置ずれによって生じる撮影用撮像手段のフォーカス合わせの方向判断が不要であり、オートフォーカス動作が極めて短時間に行える。
また、前記実施の形態では対物レンズ8Aを移動手段5Aのモータ18Aの作動によって前記フォーカス方向に移動させているが、対物レンズ8Aと結像レンズ8Bの一対のレンズを移動手段5Aによって一体的にフォーカス方向に移動させるようにしてもよい。
さらに、パターン投影手段3と照明手段4とを別々の時間に作動させているが、同時に作動させるようにしてもよい。
さらに、また、撮像手段1又は撮像手段2のいずれか一方を予め撮影用撮像手段として決めておいてもよく、撮像手段1と撮像手段2の性能が互いに異なるものを使用することも可能である。
図2 本発明の第1、第2の撮像手段(CCDカメラ)と被検査体との光学的位置関係を示す図である。
図3 被測定物が静止中の場合の画像と移動中の場合の画像を示す図である。
図4 本発明の一実施例の装置の動作フローを示す図である。
図5 第1、第2の撮像手段の画像データに基づく被測定物の明るさに関するデータの分散を示す線図である。
図6 第1、第2の撮像手段のティーチング動作時の被測定物表面に対するフォーカス位置の初期設定状態を示す模式図である。
図7 第1、第2の撮像手段の追従動作時の被測定物表面に対するフォーカス位置の設定状態を示す模式図である。
1A XYステージ
2 撮影光学系
3 パターン投影手段
4 照明手段
5A 対物レンズ移動手段
5B ベースの移動手段
6 制御手段
7 被測定物
8A 対物レンズ
8B 結像レンズ
9A 第1の撮像手段
9B 第2の撮像手段
10 ハーフミラー
10A ミラー
11 ハーフミラー
12 ハーフミラー
13 ベース
14 投影板
15 投影用光源
16 照明用光源
17A、B 移動機構
18A、B モータ
19A、B モータドライバ
20A、B Z軸方向位置検出器
21A、B A/D変換器
22A、B メモリ
23 画像処理部
24 演算処理部
25 制御部
26 入力手段
27 メモリ
Claims (4)
- 被測定物に対向した対物レンズを介して、前記被測定物を撮影する第1の撮像手段と、同第1の撮像手段とフォーカス方向に一定距離隔てた位置に配置されて前記被測定物を撮影する第2の撮像手段と、前記測定物に所定のパターンを投影するためのパターン投影手段と、前記被測定物からの反射光を前記対物レンズを介して前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段に導く光学系と、前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段の画像データに基づいて前記被測定物の明るさに関するデータの分布を求める制御手段と、同制御手段の指令によって駆動され、前記対物レンズを前記フォーカス方向に移動させる移動手段とを備えたことを特徴とするオートフォーカス装置。
- 前記パターン投影手段が、光源と、所定のパターンを形成した投影板であって着脱可能な投影板とを有するパターン投影手段であることを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス装置。
- 請求項1又は請求項2に記載のオートフォーカス装置を使用し、前記第1の撮像手段又は第2の撮像手段を被測定物に対する最適フォーカス位置に合わせるオートフォーカス方法において、
前記被測定物の少なくとも一つの設定箇所を前記対物レンズの直下に位置させた後、前記対物レンズを前記フォーカス方向に移動させながら前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段によって前記設定箇所を撮影することによって得られた前記第1の撮像手段と第2の撮像手段の画像データに基づいて得られた明るさに関するデータのそれぞれの最大値を求めた後、
前記それぞれの最大値に対応した前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段のフォーカス位置の間に前期設定箇所が挟まれた状態になるように、前期対物レンズを前記フォーカス方向に移動させた後、
前期設定箇所が挟まれた状態を保ちつつ、前記設定箇所から測定箇所まで前記対物レンズと、前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段と、前記光学系と、前記投影手段と、を被測定物に平行に相対移動させた後、前記対物レンズを前記第1の撮像手段又は第2の撮像手段の前記明るさに関するデータが最大値となるフォーカス位置へ移動させることを特徴とするオートフォーカス方法。 - 前記被測定物の測定箇所において、前記対物レンズがフォーカス方向に移動される際に、前期測定物の表面に近づくように移動する側の前記第1の撮像手段又は第2の撮像手段を撮影用撮像手段として使用することを特徴とする請求項3のオートフォーカス方法。
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