JP2010181782A

JP2010181782A - オートフォーカス装置

Info

Publication number: JP2010181782A
Application number: JP2009027289A
Authority: JP
Inventors: Eisuke Moriuchi; 栄介森内; Yuko Shishido; 裕子宍戸
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】開口数の小さい対物レンズを用いても、被測定面を対物レンズの焦点位置に精度良く位置付けることができるオートフォーカス装置を提供すること。
【解決手段】本発明では、光源２からの光を第１反射手段３３により輪帯状に拡げた後、第２反射手段３４により対物レンズ４の外側に送り、集光手段３５により被測定面７に集光するとともに被測定面７にて反射された光を集光し、合焦機構６によりフォーカスを行う。被測定面観察用の対物レンズ４とは別に設けたフォーカス用の集光手段３５によりフォーカスを行うので、開口数の小さい対物レンズ４を用いた場合でも、集光手段３５として開口数が大きく焦点深度の浅いものを用いることができ、被測定面７を対物レンズ４の焦点位置に精度良く位置付けることができる。加えて、開口数が大きい集光手段３５をフォーカス用に用いることができるので、傾斜角の大きい被測定面７でもフォーカスできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、オートフォーカス装置に関する。

従来、画像測定機や顕微鏡等の光学式測定装置において、被測定面観察用の対物レンズの焦点位置に被測定面を自動的に位置付けるオートフォーカス装置が利用されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載のオートフォーカス装置は、観察用光源（白熱電球）、赤外線光を射出するフォーカス用光源（レーザダイオード）、対物レンズ、前記各光源と対物レンズとの間に設けられて赤外線光のみを透過する波長選択フィルタ、対物レンズの外側に設けられた環状ミラー、観察光学系、および受光素子を備えている。

このオートフォーカス装置では、観察用光源から射出された光は、中心部が波長選択フィルタによって遮蔽されて輪帯状となり、対物レンズの外側から環状ミラーに入射した後、該環状ミラーにて反射され、被測定面に集光される。被測定面に集光された光は、被測定面にて反射された後、対物レンズを通って観察光学系に入射する。そして、観察光学系により被測定面が観察される。

一方、このオートフォーカス装置では、フォーカス用光源から射出された赤外線光は、波長選択フィルタを透過した後、対物レンズによって被測定面に集光される。そして、被測定面にて反射された赤外線光は、再び対物レンズによって集光された後、受光素子によって受光される。オートフォーカス装置は、この受光手段からの出力信号に基づき、対物レンズの焦点位置に被測定面を位置付ける。

特開昭６２−３２４１１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のオートフォーカス装置では、フォーカス用光源から射出された赤外線光が被測定面観察用の対物レンズにより被測定面に集光されるので、開口数が小さく焦点深度が深い対物レンズを用いた場合、オートフォーカス装置が、被測定面が対物レンズの焦点位置にあると検出する範囲が広くなってしまい、被測定面を対物レンズの焦点位置に精度良く位置付けることが難しくなってしまうという問題があった。

加えて、特許文献１に記載のオートフォーカス装置では、フォーカス用光源から射出された赤外線光が対物レンズにより被測定面に集光されるとともに、被測定面にて反射された後に再び対物レンズにより集光されるので、被測定面の傾斜角が対物レンズの開口数を超える場合、被測定面にて反射された赤外線光が対物レンズに戻らなくなり、被測定面を対物レンズの焦点位置に位置づけることができなくなる。そのため、特許文献１に記載のオートフォーカス装置では、開口数が小さい対物レンズを用いる場合、傾斜角が小さい被測定面しか対物レンズの焦点位置に位置づけることができないという問題もある。

本発明の目的は、開口数が小さい被測定面観察用の対物レンズを用いる場合でも、被測定面を対物レンズの焦点位置に精度良く位置付けることができ、しかも傾斜角が大きい被測定面でも対物レンズの焦点位置に精度良く位置付けることができるオートフォーカス装置を提供することにある。

本発明のオートフォーカス装置は、光源と、前記光源からの光を被測定面へ導く照明光学系と、前記被測定面にて反射された光を集光する被測定面観察用の対物レンズと、前記被測定面にて反射された光に基づいて前記対物レンズの焦点位置に前記被測定面を位置付ける合焦機構とを備えたオートフォーカス装置であって、前記照明光学系は、前記光源と前記対物レンズとの間に設けられ、前記光源からの光を前記対物レンズの光軸と直交する方向に輪帯状に反射する第１反射手段と、前記第１反射手段にて反射された輪帯状の光を前記対物レンズの外側に、かつ前記対物レンズの光軸と平行に反射する第２反射手段と、前記第２反射手段にて反射された輪帯状の光を前記被測定面へ集光するとともに、前記被測定面にて反射された光を集光する集光手段とを備え、前記合焦機構は、前記被測定面にて反射された光を前記照明光学系を介して得ることを特徴とする。

本発明によれば、光源からの光を第１反射手段により輪帯状に拡げた後、第２反射手段により対物レンズの外側に送り、集光手段により被測定面に集光する。そして、被測定面にて反射された光を集光手段により集光し、照明光学系を介して合焦機構に送り、合焦機構がフォーカスを行う。このように、本発明では、被測定面観察用の対物レンズとは別に設けたフォーカス用の集光手段によりフォーカスを行うので、開口数の小さい対物レンズを用いる場合でも、集光手段として開口数が大きく焦点深度の浅いものを用いることができ、合焦機構が、被測定面が集光手段および対物レンズの焦点位置にあると検出する範囲を狭めることができる。そのため、開口数の小さい対物レンズを用いる場合でも、被測定面を対物レンズ（および集光手段）の焦点位置に精度良く位置付けることができる。
ここで、フォーカスできる被測定面の傾斜角は、フォーカス用に用いる集光手段の開口数に対応するので、従来のようにフォーカス用の集光手段として被測定面観察用の対物レンズを用いる場合、対物レンズの開口数が小さいと、傾斜角の小さい被測定面しかフォーカスすることができない。しかしながら、本発明では、被測定面観察用の対物レンズとは別に設けたフォーカス用の集光手段によりフォーカスを行うので、開口数の小さい対物レンズを用いる場合でも、集光手段として開口数の大きいものを用いることできる。そのため、傾斜角の大きい被測定面でも対物レンズの焦点位置に位置付けることができる。しかも、集光手段として、検出範囲を狭めることができる開口数の大きいものを用いることができるので、傾斜角の大きい被測定面でも対物レンズの焦点位置に精度良く位置付けることができる。

本発明のオートフォーカス装置では、前記集光手段は、環状に形成され、前記対物レンズの外側に設けられたドーナツレンズであることが好ましい。
本発明によれば、集光手段は、環状に形成され、対物レンズの外側に設けられたドーナツレンズであるので、対物レンズから被測定面までの空間に集光手段が配置されることがなく、オートフォーカス装置を小型化できる。

本発明のオートフォーカス装置では、前記集光手段は、環状に形成され、前記対物レンズの外側に設けられた放物面ミラーであることが好ましい。
本発明によれば、集光手段として放物面ミラーが用いられるので、放物面ミラーの形状を選択することで、ドーナツレンズよりも開口数が大きいものを使用することができ、被測定面を対物レンズの焦点位置により精度良く位置付けることができるとともに、十分に傾斜角の大きい被測定面でも対物レンズの焦点位置に精度良く位置付けることができる。

本発明のオートフォーカス装置では、前記集光手段の開口数は０．７０以上であることが好ましい。
本発明によれば、集光手段の開口数が０．７０以上と十分に大きいので、被測定面を対物レンズの焦点位置に確実に精度良く位置付けることができるとともに、傾斜角の大きい被測定面でも確実に対物レンズの焦点位置に精度良く位置付けることができる。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係るオートフォーカス装置１の光学系を示す図である。
オートフォーカス装置１は、図１に示すように、光源としてのレーザダイオード２、照明光学系３、対物レンズ４、ミラー５１、観察光学系５２、および合焦機構６を備えている。

照明光学系３は、レーザダイオード２から射出されたレーザ光を被測定面７へ導くとともに、被測定面７にて反射された光を集光し、合焦機構６へ送る。この照明光学系３は、ハーフミラー３１、チューブレンズ３２、第１反射手段としてのコーンミラー３３、第２反射手段としてのパラボラミラー３４、および集光手段としてのドーナツレンズ３５を備えている。

ハーフミラー３１、チューブレンズ３２、およびコーンミラー３３は、それぞれレーザダイオード２と対物レンズ４との間、かつ対物レンズ４の光軸の延長線上に設けられている。レーザダイオード２から射出されたレーザ光は、ハーフミラー３１にて反射された後、チューブレンズ３２を介してコーンミラー３３に入射する。

コーンミラー３３は、円錐状に形成され、反射面３３ａが入射側を向くように設けられている。コーンミラー３３は、チューブレンズ３２から射出された光を対物レンズ４の光軸と直交する方向に輪帯状に反射する。
パラボラミラー３４は、環状に形成され、コーンミラー３３の外側に設けられるとともに、反射面３４ａがコーンミラー３３の反射面３３ａと対向するように設けられている。パラボラミラー３４は、コーンミラー３３にて反射された輪帯状の光を対物レンズ４の外側に、かつ対物レンズ４の光軸と平行に反射する。

ドーナツレンズ３５は、環状に形成され、対物レンズ４の外側に設けられている。ドーナツレンズ３５は、開口数が０．７０と大きく焦点深度が浅いものが用いられている。このドーナツレンズ３５は、パラボラミラー３４にて反射された輪帯状の光を被測定面７へ集光するとともに、被測定面７にて反射された光を集光する。被測定面７にて反射され、ドーナツレンズ３５により集光された光は、照明光学系３を介して合焦機構６へ送られる。

対物レンズ４の焦点位置は、ドーナツレンズ３５の焦点位置と等しい位置に設定されている。
観察光学系５２は、図示しない観察用の光源を備えている。観察光学系５２の光源から射出された光は、ミラー５１にて反射された後、対物レンズ４により被測定面７に集光される。そして、被測定面７にて反射された光は、対物レンズ４により集光された後、ミラー５１にて反射され、観察光学系５２に入射する。これにより、被測定面７が観察される。

合焦機構６は、レーザダイオード２から射出され、被測定面７にて反射された光を照明光学系３を介して受光する。この合焦機構６は、いわゆるピンホール法によって対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置に被測定面７があるか否かを検出し、対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置に被測定面７を位置付ける。このような合焦機構６は、ハーフミラー６１、受光素子である２つのフォトダイオード６２，６３、駆動装置６４、および制御装置６５を備えている。

各フォトダイオード６２，６３は、チューブレンズ３２の焦点位置の前側および後側にそれぞれ設けられている。各フォトダイオード６２，６３は、被測定面７にて反射され、照明光学系３を介して送られてきた光をそれぞれピンホール６２ａ，６３ａを介して受光し、受光量に応じた信号を制御装置６５に出力する。

駆動装置６４は、アクチュエータを備え、対物レンズ４およびドーナツレンズ３５をそれらの光軸方向に沿って移動させ、被測定面７から近接離間させる。なお、駆動装置６４は、被測定面７を有する被測定物を対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の光軸方向に沿って移動させることで、被測定面７を対物レンズ４およびドーナツレンズ３５から近接離間させてもよい。

制御装置６５は、各フォトダイオード６２，６３からの出力信号に基づき、駆動装置６４を介して被測定面７を対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置に位置付ける。具体的に、制御装置６５は、被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置からずれると、各フォトダイオード６２，６３の受光量が異なることとなることにより、被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置にはないこと、および被測定面７が焦点位置に対して光軸方向の基端側および先端側のいずれ側にずれているのかを検出する。そして、制御装置６５は、各フォトダイオード６２，６３の受光量の差が無くなるように駆動装置６４を介して対物レンズ４およびドーナツレンズ３５を移動させることにより、被測定面７を対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置に位置付ける。

このように、オートフォーカス装置１は、被測定面観察用の対物レンズ４とは別に設けられたドーナツレンズ３５によりフォーカスを行うので、開口数の小さい対物レンズ４を用いる場合でも、開口数が大きく焦点深度が浅いドーナツレンズ３５を用いることができ、合焦機構６が、被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置にあると検出する範囲（以下、検出範囲と記載）を狭めることができる。そのため、開口数の小さい対物レンズ４を用いる場合でも、被測定面７を対物レンズ４の焦点位置に精度良く位置付けることができる。なお、このような機構により、対物レンズ４は、被測定面７の表面形状（凹凸）に合わせてその光軸方向に変位することとなるが、この変位から、オートフォーカス装置１は被測定面７の表面形状を測定する。

図２は、被測定面観察用の対物レンズを用いてフォーカスを行う従来のオートフォーカス装置における対物レンズの開口数と精度（繰返し再現性）との関係を示す図である。
従来のオートフォーカス装置では、被測定面観察用の対物レンズを用いてフォーカスを行うので、図２に示すように、開口数が小さく焦点深度が深い対物レンズを用いた場合、検出範囲が広くなってしまい、被測定面を対物レンズの焦点位置に精度良く位置付けることが難しくなってしまうことが分かる。具体的に、従来のオートフォーカス装置では、開口数が０．７０と大きく焦点深度が０．６μｍと浅い倍率１００倍（１００×）の対物レンズを用いた場合には、精度（繰返し再現性）は０．６μｍと良好だが、開口数が０．０５５と小さく焦点深度が９１．０μｍと深い倍率２倍の対物レンズを用いた場合には、精度が２．５μｍと悪くなってしまうことが分かる。

図３は、本実施形態のオートフォーカス装置１における対物レンズ４の開口数と精度（繰返し再現性）との関係を示す図である。なお、図中の対物レンズ倍率は対物レンズ４の倍率を示し、開口数および焦点深度は、ドーナツレンズ３５の開口数および焦点深度を示す。
本実施形態のオートフォーカス装置１では、被測定面観察用の対物レンズ４とは別に設けられたドーナツレンズ３５によりフォーカスを行うので、図３に示すように、開口数（対物レンズ倍率）が小さい対物レンズ４を用いた場合でも、開口数が大きく焦点深度が浅いドーナツレンズ３５を用いることでき、被測定面７を対物レンズ４の焦点位置に精度良く位置付けることができることが分かる。具体的に、オートフォーカス装置１では、開口数が０．７０と大きく焦点深度が０．６μｍと浅いドーナツレンズ３５を用いてフォーカスを行うので、倍率２倍の開口数が小さい対物レンズ４を用いた場合でも、倍率１００倍の開口数が大きい対物レンズ４を用いた場合と同様に、精度が０．６μｍと良好であることが分かる。

以上の第１実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）オートフォーカス装置１は、被測定面観察用の対物レンズ４とは別に設けられたドーナツレンズ３５によりフォーカスを行うので、開口数の小さい対物レンズ４を用いる場合でも、開口数が大きく焦点深度が浅いドーナツレンズ３５を用いることができ、検出範囲を狭めることができて、被測定面７を対物レンズ４（およびドーナツレンズ３５）の焦点位置に精度良く位置付けることができる。加えて、開口数が大きいドーナツレンズ３５をフォーカス用に用いることができるので、傾斜角の大きい被測定面７でも対物レンズ４の焦点位置に精度良く位置付けることができる。

（２）集光手段として、環状に形成され、対物レンズ４の外側に設けられるドーナツレンズ３５が用いられるので、対物レンズ４から被測定面７までの空間に集光手段が配置されることがなく、オートフォーカス装置１を小型化できる。
（３）ドーナツレンズ３５の開口数が０．７０と十分に大きいので、被測定面７を対物レンズの焦点位置に確実に精度良く位置付けることができるとともに、傾斜角の大きい被測定面７でも確実に対物レンズ４の焦点位置に精度良く位置付けることができる。

〔第２実施形態〕
図４は、第２実施形態に係るオートフォーカス装置１Ａの光学系を示す図である。以降、前記第１実施形態と同一機能部位には同一符号を付し、それらの説明を省略、若しくは簡略化する。
前記第１実施形態では、集光手段としてドーナツレンズ３５が用いられていたが、本実施形態では、集光手段として、ドーナツレンズ３５よりも開口数が大きい放物面ミラー３６が用いられている点が特徴である。放物面ミラー３６は、環状に形成されているとともに、断面放物面状の反射面３６ａがパラボラミラー３４の反射面３４ａと対向するように設けられている。

このような本実施形態でも、前記第１実施形態と同様の効果（１）、（３）を奏することができるうえ、以下の効果を奏することができる。
（４）集光手段として、ドーナツレンズ３５よりも開口数が大きい放物面ミラー３６が用いられているので、被測定面７を対物レンズ４の焦点位置により精度良く位置付けることができるとともに、十分に傾斜角の大きい被測定面７でも対物レンズ４の焦点位置に精度良く位置付けることができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
図５は、変形例のオートフォーカス装置１Ｂの光学系を示す図である。
前記第１実施形態では、合焦機構６は、ピンホール法によって被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置にあるか否かを検出していたが、合焦機構６は、図５に示すように、ナイフエッジ法によって被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置にあるか否かを検出してもよい。

本変形例では、合焦機構６は、被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置にある際のチューブレンズ３２の焦点位置にエッジ６６ａが配置される遮蔽部材６６と、一対の受光部６７ａ，６７ｂの分割線の位置が、照明光学系３から射出される光束の光軸上に配置された２分割フォトダイオード６７とを備えている。被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置からずれると、チューブレンズ３２の焦点位置がエッジ６６ａからずれ、遮蔽部材６６により光の一部が遮蔽されて受光部６７ａ，６７ｂ間の受光量がずれることにより、合焦機構６は、被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置にはないこと、および被測定面７が焦点位置に対して光軸方向の基端側および先端側のいずれ側にずれているのかを検出する。そして、合焦機構６は、受光部６７ａ，６７ｂ間の受光量の差が無くなるように対物レンズ４およびドーナツレンズ３５を移動させることにより、被測定面７を対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置に位置付ける。このように合焦機構６を構成しても、前記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、合焦機構６は、フーコー法によって被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置にあるか否かを検出してもよい。すなわち、被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置にある際のチューブレンズ３２の焦点位置に頂点が配置されるようにプリズムを設けるとともに、プリズムによって２分割される光をそれぞれ２分割フォトダイオードで受光するように合焦機構６を構成する。被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置からずれると、チューブレンズ３２の焦点位置がプリズムの頂点からずれ、２分割フォトダイオードの各受光部の受光量が異なることとなることにより、合焦機構６は、被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置にはないこと、および被測定面７が焦点位置に対して光軸方向の基端側および先端側のいずれ側にずれているのかを検出する。そして、合焦機構６は、２分割フォトダイオードの各受光部の受光量の差が無くなるように対物レンズ４およびドーナツレンズ３５を移動させることにより、被測定面７を対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置に位置付ける。このように合焦機構６を構成しても、前記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

さらに、合焦機構６は、非点収差法によって被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置にあるか否かを検出してもよい。すなわち、照明光学系３から射出される光を円柱レンズを介して４分割フォトダイオードで受光するように合焦機構６を構成する。被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置からずれると、４分割フォトダイオードの各受光部の受光量が異なることとなることにより、合焦機構６は、被測定面７が対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置にはないこと、および被測定面７が焦点位置に対して光軸方向の基端側および先端側のいずれ側にずれているのかを検出する。そして、合焦機構６は、４分割フォトダイオードの各受光部の受光量の差が無くなるように対物レンズ４およびドーナツレンズ３５を移動させることにより、被測定面７を対物レンズ４およびドーナツレンズ３５の焦点位置に位置付ける。このように合焦機構６を構成しても、前記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
なお、集光手段として放物面ミラー３６やそのほか適宜の手段が用いられている場合においても、当然、合焦機構６は、これらナイフエッジ法、フーコー法、非点収差法によって合焦状態を検出してもよい。

本発明は、被測定面観察用の対物レンズを有する画像測定機や顕微鏡等の光学式測定装置に利用することができる。

第１実施形態に係るオートフォーカス装置の光学系を示す図。従来のオートフォーカス装置の対物レンズの開口数と精度との関係を示す図。前記実施形態のオートフォーカス装置の対物レンズの開口数と精度の関係を示す図。第２実施形態に係るオートフォーカス装置の光学系を示す図。変形例のオートフォーカス装置の光学系を示す図。

１，１Ａ，１Ｂオートフォーカス装置
２レーザダイオード（光源）
３照明光学系
４対物レンズ
６合焦機構
７被測定面
３３コーンミラー（第１反射手段）
３４パラボラミラー（第２反射手段）
３５ドーナツレンズ（集光手段）
３６放物面ミラー（集光手段）

Claims

光源と、前記光源からの光を被測定面へ導く照明光学系と、前記被測定面にて反射された光を集光する被測定面観察用の対物レンズと、前記被測定面にて反射された光に基づいて前記対物レンズの焦点位置に前記被測定面を位置付ける合焦機構とを備えたオートフォーカス装置であって、
前記照明光学系は、
前記光源と前記対物レンズとの間に設けられ、前記光源からの光を前記対物レンズの光軸と直交する方向に輪帯状に反射する第１反射手段と、
前記第１反射手段にて反射された輪帯状の光を前記対物レンズの外側に、かつ前記対物レンズの光軸と平行に反射する第２反射手段と、
前記第２反射手段にて反射された輪帯状の光を前記被測定面へ集光するとともに、前記被測定面にて反射された光を集光する集光手段とを備え、
前記合焦機構は、前記被測定面にて反射された光を前記照明光学系を介して得る
ことを特徴とするオートフォーカス装置。
請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
前記集光手段は、環状に形成され、前記対物レンズの外側に設けられたドーナツレンズである
ことを特徴とするオートフォーカス装置。
請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
前記集光手段は、環状に形成され、前記対物レンズの外側に設けられた放物面ミラーである
ことを特徴とするオートフォーカス装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のオートフォーカス装置において、
前記集光手段の開口数は０．７０以上である
ことを特徴とするオートフォーカス装置。