JP2012008431A

JP2012008431A - オートフォーカス装置

Info

Publication number: JP2012008431A
Application number: JP2010145914A
Authority: JP
Inventors: Eisuke Moriuchi; 栄介森内
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-01-12

Abstract

【課題】測定対象物の表面に段差部があった場合でも好適に測定できるオートフォーカス装置を提供する。
【解決手段】光出射部１０と、光出射部１０からの出射光とワークＷからの戻り光とを通過させる対物レンズ部３０と、戻り光によりフォーカス検出を行う検出部５０Ａ，５０Ｂと、を備え、光出射部１０は、発散光を出射する光源１１と、光源１１からの発散光を集光させる集光レンズ１２と、集光レンズ１２の焦点位置に配設される光形状変形部材１３と、を備え、光形状変形部材１３は、異なる方向に延在する直線状又は曲線状のスリットからなる光透過領域Ｓを備え、集光レンズ１２からの出射光を透過させて当該出射光の形状を光透過領域Ｓの形状に変形させる。
【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、画像計測機や光学機器に設けられるオートフォーカス装置が知られている。
オートフォーカス装置は、単一の光ビームを測定対象物（ワーク）に集光してフォーカス検出を行い、合焦位置を取得する。
具体的に、オートフォーカス装置では、例えば、図８に示すように、レーザダイオード５０１から出射したレーザ光を、対物レンズ５０２を介してワークＷに照射させ、ワークＷの表面で反射されて対物レンズ５０２及びチューブレンズ５０３を介して戻ってきた反射光を、ビームスプリッタ５０４で分岐して受光素子５０５Ａ及び受光素子５０５Ｂに照射させるようになっている。このとき、ワークＷの表面には、微小スポットＰが結像されている。

このようなオートフォーカス装置では、例えば、図９に示すように、ワークＷの表面に段差部があった場合、この段差部にてフォーカス検出がなされると段差部に照射される単一の光ビームが段差部の境界線（エッジ）によって散乱するため、フォーカス検出を実行できないという問題があった。
そのため、例えば、シリンドリカルレンズを用いて、ワークＷの表面上に結像するレーザ光の形状をライン形状とし、平均化効果を向上させて、段差部でもフォーカス検出を可能とする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−２７６３２０号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載の発明では、例えば、図１０に示すように、段差部のエッジの方向とレーザ光のラインの方向が一致した場合など、ワークＷの向き（段差の方向）によっては依然として光の散乱が発生してしまい、フォーカス検出が困難な場合がある。

本発明の課題は、測定対象物の表面に段差部があった場合でも好適に測定できるオートフォーカス装置を提供することである。

上記課題を解決するために、
請求項１に記載の発明は、オートフォーカス装置において、
光を出射する光出射部と、
前記光出射部と測定対象物との間に配され、前記光出射部からの出射光と前記測定対象物からの戻り光とを通過させる対物レンズ部と、
前記対物レンズ部を通過した前記戻り光によりフォーカス検出を行う検出手段と、を備え、
前記光出射部は、
発散光を出射する光源と、
前記光源からの発散光を集光させる集光レンズと、
前記集光レンズの焦点位置に配設される光形状変形部材と、を備え、
前記光形状変形部材は、
異なる方向に延在する直線状又は曲線状のスリットからなる光透過領域を備え、前記集光レンズからの出射光を透過させて当該出射光の形状を前記光透過領域の形状に変形させることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
前記光形状変形部材には、異なる複数の前記光透過領域が備えられ、
複数の前記光透過領域の中から所定の前記光透過領域を選択可能となっていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のオートフォーカス装置において、
前記光透過領域は環状に形成されていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載のオートフォーカス装置において、
前記光源からの出射光の色が変更可能であることを特徴とする。

本発明によれば、光出射部は、発散光を出射する光源と、光源からの発散光を集光させる集光レンズと、集光レンズの焦点位置に配設される光形状変形部材と、を備え、光形状変形部材は、異なる方向に延在する直線状又は曲線状のスリットからなる光透過領域を備え、集光レンズからの出射光を透過させて当該出射光の形状を光透過領域の形状に変形させるようになっている。
このため、測定対象物の表面に光透過領域の形状のパターン像が結像され、平均化効果が向上するので、測定対象物の表面に段差部があった場合でもフォーカス検出ができることとなる。また、その段差部が如何なる向きであっても、ライン形状のように段差部形状と一致して光が散乱することが無く、フォーカス検出ができることとなる。

本発明のオートフォーカス装置の焦点位置における構成を示す模式図である。図１のオートフォーカス装置の焦点位置前後における構成を示す模式図である。図１のオートフォーカス装置の制御構成を示すブロック図である。測定対象物の表面のパターン像と段差部とを示す模式図である。パターン像の色を変更した状態を示す模式図である。光透過領域の変形例を示す図である。光形状変形部材の変形例を示す図である。従来のオートフォーカス装置の構成を示す模式図である。従来のオートフォーカス装置の問題点を説明するための図である。従来のオートフォーカス装置の問題点を説明するための図である。

以下、図を参照して、本発明に係るオートフォーカス装置について、詳細に説明する。
本発明のオートフォーカス装置は、例えば、顕微鏡、画像計測機などの光学装置に搭載されるものである。

まず、構成について説明する。
本実施形態におけるオートフォーカス装置１００は、図１〜３に示すように、光出射部１０と、ビームスプリッタ２０と、対物レンズ部３０と、ビームスプリッタ４０と、検出部５０Ａ，５０Ｂと、演算部６０と、ステージ７０と、ステージ駆動機構部８０と、制御部９０と、等を備えている。
なお、本実施形態においては、図１に示すように、光出射部１０からビームスプリッタ２０に向かう方向をＸ方向（左右方向）、ビームスプリッタ２０から対物レンズ部３０に向かう方向をＺ方向（高さ方向）、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向（前後方向）とする。

本実施形態の光出射部１０は、光源１１と、集光レンズ１２と、光形状変形部材１３と、を備えている。

光源１１は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などが用いられ、光源１１のＸ方向右側に配置された集光レンズ１２に対して発散光を出射する。

集光レンズ１２は、光源１１からの発散光を、集光レンズ１２のＸ方向右側に配置された光形状変形部材１３上に集光させる。

光形状変形部材１３は、集光レンズ１２の焦点位置に配設されている。
光形状変形部材１３の中央部には光透過領域Ｓが形成されている。
光透過領域Ｓは、異なる方向に延在する直線状（又は曲線状）の複数のスリットからなる。本実施形態においては、光透過領域Ｓは、図１、２に示すように、８本の直線状のスリットを互いに異なる方向に延在させてなる放射線形状となっている。
集光レンズ１２からの出射光は、このような光形状変形部材１３の光透過領域Ｓを透過することによって、光透過領域Ｓの形状に変形される。
そして、集光レンズ１２からの出射光が光透過領域Ｓの形状に変形されることで、ワークＷの表面においても光透過領域Ｓの形状のパターン像が結像されることとなる。
ここで、光透過領域Ｓは、放射線形状であるため、方向依存性がなく、ワークＷの表面にエッジがあった場合でも、また、エッジがパターン像に対して如何なる向きとなっていてもフォーカス検出ができるようになっている。

ビームスプリッタ２０は、光出射部１０（光形状変形部材１３）から出射された光を、当該ビームスプリッタ２０のＺ方向下側に配置された対物レンズ部３０に向かって反射させる。ビームスプリッタ２０により反射された光は、対物レンズ部３０に上方から照射される。
また、ビームスプリッタ２０は、ワークＷの表面にて反射され、下方から対物レンズ部３０を透過して進んできた戻り光を透過させて、ビームスプリッタ４０に向かって照射する。

対物レンズ部３０は、ビームスプリッタ２０とワークＷとの間に配され、光出射部１０からの出射光とワークＷからの戻り光とを通過させる。
対物レンズ部３０は、上方から順にチューブレンズ３１と、対物レンズ３２と、を備えている。なお、チューブレンズ３１及び対物レンズ３２は、光軸が同一となっている。

チューブレンズ３１は、ビームスプリッタ２０から入射した光を平行光として、下方の対物レンズ３２に照射する。また、チューブレンズ３１は、対物レンズ３２からの戻り光をビームスプリッタ２０に照射する。

対物レンズ３２は、ワークＷに対向して備えられ、チューブレンズ３１から照射された光によりワークＷの表面にパターン像を結像させ、ワークＷの表面からの戻り光をチューブレンズ３１に照射する。
このとき、パターン像は、図４に示すように、光形状変形部材１３の光透過領域Ｓの形状（ここでは放射線形状）となる。そして、上記したが、パターン像が光透過領域Ｓの形状であるため、ワークＷの表面のエッジの有無やエッジの向きに関わらず、フォーカス検出ができるようになっている。
ワークＷの表面にて反射されたワークＷからの戻り光は、対物レンズ部３０とビームスプリッタ２０とを透過して、ビームスプリッタ４０に向かう。

ビームスプリッタ４０は、ビームスプリッタ２０のＺ方向上側に配置され、対物レンズ部３０及びビームスプリッタ２０を下方から透過してきたワークＷの表面からの戻り光を２つに分岐して、検出部５０Ａ，５０Ｂに入射させる。

検出部（検出手段）５０Ａ，５０Ｂは、受光素子５１Ａ，５１Ｂと、各受光素子５１Ａ，５１Ｂに備えられたピンホール５２Ａ，５２Ｂと、から構成されている。
検出部５０Ａ，５０Ｂは、ビームスプリッタ４０により２つに分岐された光のうち一方をそれぞれ受光し、受光した光の光量を検出する。
なお、図１に示すように、受光素子５１Ａ及び受光素子５１Ｂの出力が等しいとき、対物レンズ３２とワークＷとの距離がレーザ焦点位置に対応する距離となっている。
また、図２（ａ）に示すように、受光素子５１Ａの出力が受光素子５１Ｂの出力より大きい場合、対物レンズ３２とワークとの距離が、レーザ焦点位置より遠くに離れている。
また、図２（ｂ）に示すように、受光素子５１Ａの出力が受光素子５１Ｂの出力より小さい場合、対物レンズ３２とワークとの距離が、レーザ焦点位置より近くなっている。

演算部６０は、検出部５０Ａ，５０Ｂからの出力信号のそれぞれを、増幅器（図示省略）により増幅し、演算回路（図示省略）によりそれらの増幅信号の差をとることにより、フォーカス誤差信号を取得する。

ステージ７０は、対物レンズ３２のＺ方向の下方において、その上面にワークＷを載置している。このステージ７０は、ステージ駆動機構部８０により水平（Ｘ、Ｙ方向）及び垂直（Ｚ方向）の３方向に移動可能となっている。

ステージ駆動機構部８０は、ステージ７０をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能に支持している。
ステージ駆動機構部８０は、制御部９０が出力する制御信号に応じてステージ７０をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させると共に、ステージ７０のＸ、Ｙ、Ｚ方向における位置（位置座標）を制御部９０に出力する。従って、ステージ駆動機構部８０により、ステージ７０と対物レンズ３２との間の相対距離を変化させ、ワークＷの表面に焦点を合わせる（フォーカスを検出する）ことが可能となっている。

なお、本発明の実現は光出射部１０の波長によらない為、光出射部１０の光源１１を適宜変更して、光出射部１０から出射する光の波長を変更することが出来る。即ち、光源１１からの出射光の色を変更可能となっている。
そして、光源１１からの出射光の色を変更することで、図５（ａ）（ｂ）に示すように、ワークＷの表面に現れるパターン像の色が変更される。つまり、ワークＷの色や反射率などの特性に応じてパターン像の色が変更できるようになっている。

制御部９０は、図３に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９１、ＲＡＭ（Random Access Memory）９２、記憶部９３、等を備え、光出射部１０、検出部５０Ａ，５０Ｂ、演算部６０、ステージ駆動機構部８０、等と接続されている。

ＣＰＵ９１は、例えば、記憶部９３に記憶されている各種処理プログラムに従って、各種の制御処理を行う。

ＲＡＭ９２は、ＣＰＵ９１により演算処理されたデータを格納するワークメモリエリアを形成している。

記憶部９３は、例えば、ＣＰＵ９１によって実行可能なシステムプログラムや、そのシステムプログラムで実行可能な各種処理プログラム、これら各種処理プログラムを実行する際に使用されるデータ、ＣＰＵ９１によって演算処理された各種処理結果のデータなどを記憶する。なお、プログラムは、コンピュータが読み取り可能なプログラムコードの形で記憶部９３に記憶されている。

次に、作用について説明する。
オートフォーカス装置１００では、光出射部１０から出射した光は、ビームスプリッタ２０及び対物レンズ部３０を透過してワークＷに照射される。
このとき、本実施形態の光出射部１０は、光源１１、集光レンズ１２、及び光形状変形部材１３を備えており、光源１１から出射した発散光は、集光レンズ１２によって光形状変形部材１３上に集光され、当該光形状変形部材１３の光透過領域Ｓの形状に変換される。このため、ワークＷの表面には、光透過領域Ｓの形状のパターン像が結像される。
ここで、パターン像が光透過領域Ｓの形状であるため、平均化効果が向上し、ワークＷの表面にエッジがあった場合でもフォーカス検出が可能となる。また、パターン像が光透過領域Ｓの形状であるため、エッジの方向が如何なる向きであっても、ライン形状のように段差部形状と一致して光が散乱することが無く、フォーカス検出が可能である。
なお、ワークＷの表面にて反射した戻り光は、対物レンズ部３０及びビームスプリッタ２０を順に透過し、ビームスプリッタ４０で２つに分岐されて、検出部５０Ａ，５０Ｂにて検出される。

以上にように、本実施形態のオートフォーカス装置１００によれば、光出射部１０は、発散光を出射する光源１１と、光源１１からの発散光を集光させる集光レンズ１２と、集光レンズ１２の焦点位置に配設される光形状変形部材１３と、を備え、光形状変形部材１３は、異なる方向に延在する直線状のスリットからなる光透過領域Ｓを備え、集光レンズ１２からの出射光を透過させて当該出射光の形状を光透過領域Ｓの形状に変形させるようになっている。
このため、ワークＷの表面に光透過領域Ｓの形状のパターン像が結像され、スポット状のパターン像に比べて平均化効果が向上するので、ワークＷの表面にエッジがあった場合でもフォーカス検出ができることとなる。
また、そのエッジが如何なる向きであっても、パターン像が光透過領域Ｓの形状であるため、ライン形状のようにエッジの形状と一致して光が散乱すること無く、フォーカス検出ができることとなる。

また、本実施形態のオートフォーカス装置１００によれば、光源１１からの出射光の色が変更可能であるため、ワークＷの色や反射率などの特性に応じてパターン像の色が変更でき、利便性が高い。

なお、上記実施形態においては、光透過領域Ｓが放射線形状である場合を例示して説明したが、光透過領域Ｓは、異なる方向に延在する直線状又は曲線状の複数のスリットからなる形状であれば、放射線形状に限定されない。
具体的には、例えば、図６（ａ）に示すように、光透過領域Ｓを、８つの直線状スリットからなる正方形の環状としても良いし、例えば、図６（ｂ）に示すように、４つの曲線状スリットからなる円環状としても良い。
また、例えば、図６（ｃ）に示すように、光透過領域Ｓを、４つの直線状スリットからなる正方形の環状としても良いし、例えば、図６（ｄ）に示すように、３つの直線状スリットからなる三角形の環状としても良い。
図６（ａ）〜（ｄ）のいずれの形状であっても、上記実施形態と同様に、ワークＷの表面のエッジの有無やエッジの向きに関わらず、フォーカス検出が可能となる。更に、図６（ａ）〜（ｄ）のように光透過領域Ｓの形状を環状にした場合、光透過領域Ｓの中心部は暗部となるため、当該中心部が見やすくなりより好ましい。
或いは、図示は省略するが、光透過領域Ｓを、例えば、円状、四角状、三角状などに形成することもできる。このように形成した場合、光形状変形部材１３を打ち抜くだけで光透過領域Ｓを形成できるため、製造が容易である。
このように、光透過領域Ｓの形状は用途に応じて適宜変更すれば良い。

また、上記実施形態においては、光形状変形部材１３は、中央部に光透過領域Ｓを１つ備えた構成であるものとして説明したが、光形状変形部材に複数の光透過領域を備えることとしても良い。
具体的に、例えば、図７に示すように、同一形状（ここでは放射線形状）で大きさの異なる光透過領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の形成された光形状変形部材１３Ａとすることができる。
このとき、光形状変形部材１３Ａは、集光レンズ１２に対してＹ、Ｚ方向（前後方向、高さ方向）にスライド可能に備えられている。
このように構成した場合、ユーザは、測定に際し、ワークＷに応じて光透過領域の大きさを選択することができるため、より使いやすく、汎用性が高い。
なお、図７では、同一形状で大きさの異なる光透過領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が備えられた光形状変形部材１３Ａを例示したが、これ以外にも、異なる形状の複数の光透過領域を備えることとしても良いし、形状も大きさも異なる光透過領域を複数備えることとしても良い。

なお、上記実施形態のオートフォーカス装置においては、何れもピンホール法の構成を例示しているが、例えば、ナイフエッジ法、フーコー法、非点収差法、等のピンホール法以外の検出原理を用いることとしても良い。

１００オートフォーカス装置
１０光出射部
１１光源
１２集光レンズ
１３、１３Ａ光形状変更部材
２０ビームスプリッタ
３０対物レンズ部
３１チューブレンズ
３２対物レンズ
４０ビームスプリッタ
５０Ａ，５０Ｂ検出部（検出手段）
６０演算部
７０ステージ
８０ステージ駆動機構部
９０制御部
Ｗワーク
Ｓ、Ｓ１〜Ｓ３光透過領域

Claims

光を出射する光出射部と、
前記光出射部と測定対象物との間に配され、前記光出射部からの出射光と前記測定対象物からの戻り光とを通過させる対物レンズ部と、
前記対物レンズ部を通過した前記戻り光によりフォーカス検出を行う検出手段と、を備え、
前記光出射部は、
発散光を出射する光源と、
前記光源からの発散光を集光させる集光レンズと、
前記集光レンズの焦点位置に配設される光形状変形部材と、を備え、
前記光形状変形部材は、
異なる方向に延在する直線状又は曲線状のスリットからなる光透過領域を備え、前記集光レンズからの出射光を透過させて当該出射光の形状を前記光透過領域の形状に変形させることを特徴とするオートフォーカス装置。
前記光形状変形部材には、異なる複数の前記光透過領域が備えられ、
複数の前記光透過領域の中から所定の前記光透過領域を選択可能となってい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。
前記光透過領域は環状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のオートフォーカス装置。
前記光源からの出射光の色が変更可能であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のオートフォーカス装置。