JP2015011275A

JP2015011275A - オートフォーカス装置

Info

Publication number: JP2015011275A
Application number: JP2013138162A
Authority: JP
Inventors: 鵜戸　章平; Shohei Uto; 章平鵜戸
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2015-01-19
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: US20150001373A1; US9638911B2; JP6336718B2; EP2821837B1; EP2821837A1

Abstract

【課題】合焦位置を特定する精度を向上させたオートフォーカス装置を提供する。【解決手段】オートフォーカス装置は、対物レンズを介して被測定物に光を照射する光源と、被測定物からの反射光の一部を検出して、第１信号を生成する第１検出部と、反射光の一部を検出して、第２信号を生成する第２検出部と、第１信号を増幅させて第１増幅信号を生成する第１増幅器と、第２信号を増幅させて第２増幅信号を生成する第２増幅器と、第１増幅信号及び第２増幅信号に基づき第１増幅器及び第２増幅器の増幅率を設定する増幅率設定部と、第１増幅信号及び第２増幅信号に基づき対物レンズの合焦位置を特定する演算部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物に対する合焦位置を調整するオートフォーカス装置に関する。

従来、測定装置に使用されるオートフォーカス装置が知られている（特許文献１参照）。オートフォーカス装置には被測定物（ワーク）に光を照射し、その反射光に基づき合焦位置を特定する方式がある。具体的に、フォトダイオードで受光された反射光は電気信号に変換される。続いて、その電気信号は増幅器によって増幅され、それら増幅信号に基づき合焦位置が特定される。

しかしながら、上記オートフォーカス装置において、ワークの反射率が低い場合、得られる増幅信号は小さくなる。このため、増幅信号に電気ノイズがのれば、合焦位置の特定は困難となる。すなわち、オートフォーカスの精度は低下する。更に、合焦位置に基づきワーク表面を追従するフィードバック制御を安定して行うことができない。

特開平０７−１０５５４７号公報

本発明は、合焦位置を特定する精度を向上させたオートフォーカス装置を提供することを目的とする。

本発明に係るオートフォーカス装置は、対物レンズを介して被測定物に光を照射する光源と、被測定物からの反射光の一部を検出して、第１信号を生成する第１検出部と、反射光の一部を検出して、第２信号を生成する第２検出部と、第１信号を増幅させて第１増幅信号を生成する第１増幅器と、第２信号を増幅させて第２増幅信号を生成する第２増幅器と、第１増幅信号及び第２増幅信号に基づき第１増幅器及び第２増幅器の増幅率を設定する増幅率設定部と、第１増幅信号及び第２増幅信号に基づき対物レンズの合焦位置を特定する演算部とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、第１増幅信号及び第２増幅信号に基づき第１増幅器及び第２増幅器の増幅率を設定する。したがって、被測定物の反射率が低くとも第１及び第２増幅信号の低下を抑制できる。このため、本発明は、合焦位置を特定する精度を向上させたオートフォーカス装置を提供できる。

第１の実施の形態に係るオートフォーカス装置の構成を示す概略図である。Ｓ信号を示す図である。第２の実施の形態に係るオートフォーカス装置の構成を示す概略図である。第３の実施の形態に係るオートフォーカス装置の構成を示す概略図である。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係るオートフォーカス装置の構成を示す概略図である。本実施の形態に係るオートフォーカス装置は、所謂、ダブルピンホール方式のレーザオートフォーカス装置であり、例えば、顕微鏡、画像測定機などの光学装置に搭載される。

本実施の形態に係るオートフォーカス装置は、図１に示すように、光学ヘッド１０、増幅部２０、増幅率設定部３０、ＡＤ変換部４０、及びコンピュータ５０を有する。光学ヘッド１０はワークＷにレーザ光を照射し、その反射光を受光して電気信号に変換する。増幅部２０は光学ヘッド１０から受け付けた電気信号を増幅させる。増幅率設定部３０は、増幅部２０から受け付けた電子信号に基づき増幅部２０の増幅率を設定する。ＡＤ変換部４０は増幅部２０から受け付けた電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。コンピュータ５０はＡＤ変換部４０から受け付けた信号に基づき合焦位置を特定する。

光学ヘッド１０において、図１に示すように、光源（レーザダイオード）１１はレーザ光を発光し、そのレーザ光をビームスプリッタ１２ａに照射する。ビームスプリッタ１２ａは光源１１からの光を透過してチューブレンズ１３に照射し、ワークＷからの反射光を反射させてビームスプリッタ１２ｂに照射する。

チューブレンズ１３はビームスプリッタ１２ａからの光を平行光として対物レンズ１４を介してワークＷに照射する。また、チューブレンズ１３はワークＷからの反射光をビームスプリッタ１２ａに照射する。ビームスプリッタ１２ｂは、ビームスプリッタ１２ａからの光を分光し、透過光をピンホール１５ａを介して受光素子（フォトダイオード）１６ａに照射する。また、ビームスプリッタ１２ｂは、反射光をピンホール１５ｂを介して受光素子（フォトダイオード）１６ｂに照射する。受光素子１６ａ、１６ｂは、各々、受光した光の光量に基づき、信号Ａ及び信号Ｂを増幅部２０に出力する。

図１において、光学ヘッド１０（対物レンズ１４）がワークＷに対して合焦位置に配置されている場合、受光素子１６ａ、１６ｂの出力は等しくなる。光学ヘッド１０が合焦位置より遠くに配置されている場合、受光素子１６ｂの出力は受光素子１６ａの出力より大きくなる。一方、光学ヘッド１０は合焦位置より近くに配置されている場合、受光素子１６ｂの出力は受光素子１６ａの出力より小さくなる。このような変化を利用して、本実施の形態は、ワークＷに対する光学ヘッド１０（対物レンズ１４）の合焦位置を特定できる。

増幅部２０は、図１に示すように、信号Ａ用の増幅器２１、及び信号Ｂ用の増幅器２２を有する。増幅器２１は信号Ａを増幅させた増幅信号Ａ’（電圧値Ｖａ）をＡＤ変換部４０のチャンネルＣＨ１に出力する。増幅器２２は、信号Ｂを増幅させた増幅信号Ｂ’（電圧値Ｖｂ）をＡＤ変換部４０のチャンネルＣＨ２に出力する。

増幅率設定部３０は、図１に示すように、信号電圧加算部３１、及び増幅率決定部３２を有する。信号電圧加算部３１は、信号Ａ’の電圧値Ｖａと信号Ｂ’の電圧値Ｖｂを加算（Ｖａ＋Ｖｂ）する。増幅率決定部３２は、加算値Ｖａ＋Ｖｂが一定値となるように、増幅器２１、２２の増幅率を決定する。具体的に、増幅率決定部３２は、増幅率制御信号Ｓａ，Ｓｂを増幅器２１、２２に入力してそれらの増幅率を制御する。増幅器２１と２２の増幅率は同じである。なお、増幅率制御信号Ｓａ，Ｓｂは、アナログ信号及びデジタル信号のどちらでも良い。

ＡＤ変換部４０は増幅信号Ａ’、Ｂ’をアナログ信号からデジタル信号に変換してコンピュータ５０に出力する。

コンピュータ５０は、図１に示すように、演算部５１、記憶部５２、及びＳ信号出力部５３を有する。演算部５１は、ＡＤ変換部４０から入力された信号Ａ’、Ｂ’に基づきＳ信号を算出する。ここで、Ｓ信号は、ワークＷに対する対物レンズ１４の合焦位置を特定するための信号である。具体的に、「Ｓ信号＝（Ａ’−Ｂ’）÷（Ａ’＋Ｂ’）」に基づきＳ信号は算出される。図２はＳ信号を示す図である。図２に示すようにＳ信号の電圧値は光学ヘッド１０とワークＷとの間の距離Ｄに応じて変化する。なお、Ｓ信号の電圧値が合焦判定電圧に一致すると、光学ヘッド１０（対物レンズ１４）はワークＷに対して合焦位置にあると判定される。

記憶部５２は、プログラムの他、各種情報を記憶する。Ｓ信号出力部５３はＳ信号を外部に出力する。例えば、Ｓ信号出力部５３は、デジタル信号をアナログ信号に変換して出力する。また、例えば、Ｓ信号出力部５３はシリアルやパラレルのデジタル信号を出力する。

次に、比較例と比べた本実施の形態の効果を説明する。比較例において、増幅器２１，２２の増幅率は固定値であるものとする。このような比較例では、ワークＷの反射率が低い場合、得られる増幅信号Ａ’，Ｂ’は小さくなる。このため、ＡＤ変換部４０でデジタル化された値(ＡＤ値)も小さくなる。Ｓ信号算出式は、このＡＤ値が小さい場合と大きい場合とでは、ＡＤ値が１だけ変化したときのＳ信号の計算値の変化量(感度)が異なる。

例えば、高反射率のワークＷにて増幅信号Ａ’のＡＤ値が６００、増幅信号Ｂ’のＡＤ値が３００であった場合、Ｓ信号の計算値は０．３３３となる。また、増幅信号Ａ’のＡＤ値が６００、増幅信号Ｂ’のＡＤ値が−１だけ変化して２９９であった場合、Ｓ信号の計算値は０．３３４となる。この場合、増幅信号Ｂ’の変化前後におけるＳ信号値の差は、０．００１となる。

一方、低反射率のワークＷにて増幅信号Ａ’のＡＤ値が６、増幅信号Ｂ’のＡＤ値が３であった場合、Ｓ信号の計算値は０．３３３となる。また、増幅信号Ａ’のＡＤ値が６、増幅信号Ｂ’のＡＤ値が同じように−１だけ変化して２であった場合、Ｓ信号の計算値は０．５となる。この場合、増幅信号Ｂ’の変化前後におけるＳ信号値の差は０．１６７となる。したがって、増幅信号Ｂ’の−１の変化に対するＳ信号値は、高反射率のワークＷよりも低反射率のワークＷを用いた場合に大きく変化する。

以上のように低反射率のワークＷでは、信号Ａ，Ｂのわずかな変化でＳ信号値が大きく変化するため、電気ノイズによってＳ信号は大きくばらつく。あるいは、信号Ａ，Ｂの変化に対し、Ｓ信号の感度が高くなるためＳ信号は大きくばらつく。これは、固定増幅率の回路を切り替えて増幅する場合も、１つの増幅経路では、やはりＡＤ値が小さい場合があるため、同様の不都合がある。

これに対して、本実施の形態においては、増幅信号Ａ’，Ｂ’の電圧値Ｖａ’，Ｖｂ’に基づき増幅器２１，２２の増幅率を設定する。したがって、ワークＷの反射率が低い場合であっても、比較例と比べて増幅信号Ａ’、Ｂ’が小さくなることはなく、常に得られるＡＤ値は大きな値となる。このため、電気ノイズや感度に起因するＳ信号のばらつきを比較例よりも小さくできる。したがって、本実施の形態は、比較例と比べて合焦位置を特定する精度を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、図３を参照して第２の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。図３に示すように、第２の実施の形態は、信号電圧加算部３１の代わりに、最大電圧検出部３１ａを有する。この点で第２の実施の形態は第１の実施の形態と異なる。

最大電圧検出部３１ａは、信号Ａ’の電圧値Ｖａと信号Ｂ’の電圧値Ｖｂのいずれか高い方の電圧値を検出する。増幅率決定部３２は、検出された高い方の電圧値が一定の電圧になるように増幅器２１、２２の増幅率を設定する。

以上の構成を有する第２の実施の形態であっても、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。また、第１の実施の形態においては、ＡＤ変換部４０のデジタル変換可能な範囲より増幅信号Ａ’、Ｂ’のいずれかが大きくなるおそれがある。一方、第２の実施の形態においては、上記構成によってＡＤ変換部４０のデジタル変換可能な範囲に増幅信号Ａ’，Ｂ’を収めることができる。

［第３の実施の形態］
次に、図４を参照して、第３の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。本実施の形態に係るオートフォーカス装置は、ダブル・ナイフエッジ方式のレーザオートフォーカス装置である。

本実施の形態に係るオートフォーカス装置は、図４に示すように、光学ヘッド６０、増幅部７０、増幅率設定部８０、ＡＤ変換部９０、及びコンピュータ５０を有する。

光学ヘッド６０においては、図４に示すように、光源（レーザダイオード）６１はレーザ光を発光し、そのレーザ光はチューブレンズ６２、ビームスプリッタ６４を経て対物レンズ６５を通り、ワークＷに照射される。対物レンズ６５を通った光束は、対物レンズ６５の合焦位置に光点像を形成する。図４は、一例としてワークＷと対物レンズ６５の合焦位置が一致している場合を示す。ワークＷで反射した光は、対物レンズ６５を通り、ビームスプリッタ６４で反射され、補助レンズ６３を通り、三角プリズム６６へと導かれる。

三角プリズム６６で分けられた光の内、１つは二分割された受光素子６７ａ、６７ｂで構成される二分割センサ６７上に光点像を形成する。また、他のもう一つの光は、二分割された受光素子６８ａ、６８ｂで構成される二分割センサ６８上に光点像を形成する。

本実施の形態において、ワークＷと光学ヘッド６０との相対位置が対物レンズ６５の光軸方向に変化してワークＷが対物レンズ６５の合焦位置からずれると、二分割センサ６７上での光点像がぼける。ワークＷに対して光学ヘッド６０（対物レンズ６５）が合焦位置より近いと、受光素子６７ａ、６８ａで受光される光量が大きくなる。一方、ワークＷに対して光学ヘッド６０（対物レンズ６５）が合焦位置より遠いと、受光素子６７ｂ、６８ｂで受光される光量が大きくなる。このような変化を利用して、本実施の形態はワークＷに対する光学ヘッド６０（対物レンズ６５）の合焦位置を特定できる。なお、受光素子６７ａ、６７ｂは、各々受光量に基づき信号Ｃ，Ｄを出力する。受光素子６８ａ、６８ｂは、各々受光量に基づき信号Ｅ，Ｆを出力する。

増幅部７０は、図４に示すように、信号Ｃ用の増幅器７１、信号Ｄ用の増幅器７２、信号Ｅ用の増幅器７３、及び信号Ｆ用の増幅器７４を有する。

増幅器７１は信号Ｃを増幅させた増幅信号Ｃ’（電圧値Ｖｃ）をＡＤ変換部９０のチャンネルＣＨ１に出力する。増幅器７２は信号Ｄを増幅させた増幅信号Ｄ’（電圧値Ｖｄ）をＡＤ変換部９０のチャンネルＣＨ２に出力する。増幅器７３は信号Ｅを増幅させた増幅信号Ｅ’（電圧値Ｖｅ）をＡＤ変換部９０のチャンネルＣＨ３に出力する。増幅器７４は信号Ｆを増幅させた増幅信号Ｆ’（電圧値Ｖｆ）をＡＤ変換部９０のチャンネルＣＨ４に出力する。

増幅率設定部８０は、図４に示すように、信号電圧加算部８１、及び増幅率決定部８２を有する。信号電圧加算部８１は、信号Ｃ’の電圧値Ｖｃと信号Ｄ’の電圧値Ｖｄと信号Ｅ’の電圧値Ｖｅと信号Ｆ’の電圧値Ｖｆとを加算（Ｖｃ＋Ｖｄ＋Ｖｅ＋Ｖｆ）する。増幅率決定部８２は、加算値Ｖｃ＋Ｖｄ＋Ｖｅ＋Ｖｆが一定の電圧となるように、増幅器７１〜７４の増幅率を決定する。具体的に、増幅率決定部８２は、増幅率制御信号Ｓｃ〜Ｓｆを増幅器７１〜７４に入力してそれらの増幅率を制御する。増幅器７１と７４の増幅率は全て同じである。なお、増幅率制御信号Ｓｃ〜Ｓｆは、アナログ信号及びデジタル信号のどちらでも良い。

ＡＤ変換部９０は増幅信号Ｃ’，Ｄ’，Ｅ’，Ｆ’をアナログ信号からデジタル信号に変換してコンピュータ５０に出力する。

コンピュータ５０は、第１の実施の形態と略同様の構成を有する。但し、第３の実施の形態に係る演算部５１におけるＳ信号の算出が第１の実施の形態と異なる。具体的に、「Ｓ信号＝（Ｃ’−Ｄ’）÷（Ｃ’＋Ｄ’）＋（Ｅ’−Ｆ’）÷（Ｅ’＋Ｆ’）」に基づきＳ信号は算出される。以上のような構成であっても、第３の実施の形態は第１の実施の形態と同様の効果を奏する。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、第３の実施の形態は第１の実施の形態にダブル・ナイフエッジ方式を適応したものであるが、第３の実施の形態に係るダブル・ナイフエッジ方式は第２の実施の形態にも適用可能である。

１０，６０…光学ヘッド、２０，７０…増幅部、３０，８０…増幅率設定部、４０，９０…ＡＤ変換部、５０…コンピュータ。

Claims

対物レンズを介して被測定物に光を照射する光源と、
前記被測定物からの反射光の一部を検出して、第１信号を生成する第１検出部と、
前記反射光の一部を検出して、第２信号を生成する第２検出部と、
前記第１信号を増幅させて第１増幅信号を生成する第１増幅器と、
前記第２信号を増幅させて第２増幅信号を生成する第２増幅器と、
前記第１増幅信号及び前記第２増幅信号に基づき前記第１増幅器及び前記第２増幅器の増幅率を設定する増幅率設定部と、
前記第１増幅信号及び前記第２増幅信号に基づき前記対物レンズの合焦位置を特定する演算部と
を備えることを特徴とするオートフォーカス装置。
前記増幅率設定部は、前記第１増幅信号の電圧値と前記第２増幅信号の電圧値の総和が一定値となるように前記第１増幅器及び前記第２増幅器の増幅率を設定する
ことを特徴とする請求項１記載のオートフォーカス装置。
前記増幅率設定部は、前記第１増幅信号と前記第２増幅信号のうち高い電圧を有する一方の信号が一定の電圧を有するように前記第１増幅器及び前記第２増幅器の増幅率を設定する
ことを特徴とする請求項１記載のオートフォーカス装置。