JP2935548B2 - Automatic focus control device - Google Patents

Automatic focus control device

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JP2935548B2
JP2935548B2 JP20747590A JP20747590A JP2935548B2 JP 2935548 B2 JP2935548 B2 JP 2935548B2 JP 20747590 A JP20747590 A JP 20747590A JP 20747590 A JP20747590 A JP 20747590A JP 2935548 B2 JP2935548 B2 JP 2935548B2
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  • Measurement Of Optical Distance (AREA)
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  • Moving Of The Head For Recording And Reproducing By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はレーザを用いた光ディスク装置や光学測定装
置などにおいてレーザ光の焦光位置が対象物の面上に合
うように対物レンズを追従させる自動焦点制御装置に関
するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an auto-focusing system that causes an objective lens to follow a focal point of a laser beam on a surface of an object in an optical disk device or an optical measuring device using a laser. The present invention relates to a control device.

従来の技術 光ディスク装置や光学測定装置における従来の自動焦
点制御装置として、対物レンズによって集光されたレー
ザ光の焦光位置を対象物の面に合致させるため、前記対
物レンズのフォーカス位置に対する誤差量に基いてフォ
ーカス誤差信号を発生させ、この誤差信号がゼロとなる
ようにフォーカスサーボをかけるものが知られている。
2. Description of the Related Art As a conventional automatic focus control device in an optical disc device or an optical measurement device, an error amount with respect to a focus position of the objective lens in order to match a focus position of a laser beam focused by an objective lens with a surface of an object. There is known a device which generates a focus error signal on the basis of a focus servo and applies a focus servo so that the error signal becomes zero.

フォーカス誤差信号は、第8図に示すように、対象物
aの面bで反射したレーザ光を焦点誤差検出用の2つの
PINフォトダイオードcに導き、その光量に応じて流れ
る電流を電流電圧変換回路dによって夫々電圧に変換し
た後、フォーカス誤差信号発生部eにより差動増幅して
得られるが、このフォーカス誤差信号は対物レンズfと
対象物aとの間の距離の変化に応じて、第6図に示すよ
うに、S字曲線状に変化する。このS字曲線の真中のVe
=0の点がフォーカス位置であり、フォーカス誤差信号
がピークとなる二位置の間がフォーカス引込み範囲であ
る。従って対物レンズfの位置がフォーカス引込み範囲
にあるとき、フォーカス誤差信号がゼロとなるようすな
わち対物レンズがフォーカス位置にくるようフォーカス
サーボがかけられる。
As shown in FIG. 8, the focus error signal is obtained by converting the laser beam reflected by the surface b of the object a into two focus error detection signals.
The current is guided to the PIN photodiode c, and the current flowing according to the light amount is converted into a voltage by the current-voltage conversion circuit d, and then differentially amplified by the focus error signal generation unit e. According to the change in the distance between the lens f and the object a, as shown in FIG. 6, the shape changes in an S-shaped curve. Ve in the middle of this S-curve
The point where = 0 is the focus position, and the focus pull-in range is between two positions where the focus error signal has a peak. Therefore, when the position of the objective lens f is in the focus pull-in range, focus servo is performed so that the focus error signal becomes zero, that is, the objective lens comes to the focus position.

フォーカス引込み範囲(約10μm)は対物レンズfの
可動範囲(約20mm)に比べて非常に狭いため、フォーカ
スサーボをかける前にフォーカス引込み範囲を捜す必要
がある。従って従来の自動焦点制御装置では、最初にス
イッチSW2、SW3を実線で示す位置にセットしてボリュー
ムgにより手動操作で対物レンズfのZ方向の位置をフ
ォーカス引込み範囲の近傍位置に設定した後、スイッチ
SW1により発振器hを接続しその波形信号の振幅に応じ
て対物レンズfを一定の範囲で上下動させ、フォーカス
誤差信号を検出することによりフォーカス引込み範囲に
入ったことが確認されたらスイッチSW2を仮想線の位置
に切替えてフォーカスサーボをかけるように構成されて
おり、フォーカスサーボがかかった状態で光学系全体を
X−Y方向に移動させると、レーザ光の焦光位置が対象
物aの面b上に合うように対物レンズfがZ軸方向に追
従する。
Since the focus pull-in range (about 10 μm) is very narrow as compared with the movable range (about 20 mm) of the objective lens f, it is necessary to search for the focus pull-in range before applying the focus servo. Therefore, in the conventional automatic focus control device, first, the switches SW 2 and SW 3 are set to the positions shown by solid lines, and the position of the objective lens f in the Z direction is set to a position near the focus pull-in range by manual operation using the volume g. After the switch
The SW 1 is connected an oscillator h in accordance with the amplitude of the waveform signal by vertically moving the objective lens f in a certain range, the switch SW 2 Once it has entered the focus capture range is confirmed by detecting a focusing error signal Is switched to the position of the imaginary line, and focus servo is applied. When the entire optical system is moved in the X-Y direction with the focus servo applied, the focal position of the laser light is The objective lens f follows in the Z-axis direction so as to fit on the surface b.

もしフォーカスサーボがかかった状態で対象物aの面
bにフォーカス引込み範囲を越えるような段差があった
場合は対物レンズfがフォーカス引込み範囲から外れて
しまうが、この場合はサンプル・ホールド回路iをサン
プル状態からホールド状態に切替え、更にスイッチSW3
を仮想線の位置に切替えた後、スイッチSW2を実線の位
置に切替えることより、先ず対物レンズfのZ方向の位
置をフォーカス引込み範囲から外れる前のフォーカス位
置に保持し、続いてスイッチSW1により発振器hを接続
し対物レンズfを一定の範囲で上下動させて再びフォー
カス引込み範囲を捜し、フォーカス位置に復帰させるよ
うに構成されている。
If there is a step beyond the focus pull-in range on the surface b of the object a while the focus servo is applied, the objective lens f goes out of the focus pull-in range. Switch from sample state to hold state, and switch SW 3
After switching the position of the virtual line, than to switch the switch SW 2 to the position indicated by the solid line, first holding the position in the Z direction of the objective lens f the focus position before departing from the focus capture range, followed by a switch SW 1 , The oscillator h is connected, the objective lens f is moved up and down within a certain range, the focus pull-in range is searched again, and the focus lens is returned to the focus position.

発明が解決しようとする課題 しかし上記従来例では、対物レンズが一定の振幅に応
じて上下動するため、フォーカス引込み範囲を捜す作業
の自動化を図るために例えばボリュームによって対物レ
ンズのZ方向の位置を対物レンズの可動範囲の最上位置
に設定した状態で発振器を接続すると、PINフォトダイ
オードの故障や断線などの異常があってフォーカス引込
み範囲が見つからない場合、下動時の対物レンズが対象
物に衝突するおそれがある。
However, in the above conventional example, however, since the objective lens moves up and down according to a constant amplitude, the position of the objective lens in the Z direction is adjusted by, for example, a volume in order to automate the operation of searching for the focus pull-in range. If an oscillator is connected with the objective lens set at the highest position in the movable range of the objective lens, if the focus pull-in range cannot be found due to an abnormality such as a failure or disconnection of the PIN photodiode, the objective lens at the time of downward movement collides with the object There is a possibility that.

又フォーカスサーボがかかっても、対象物の面にフォ
ーカス引込み範囲を越えるような段差があって対物サン
ズが対象物に接近し過ぎた場合、一定の振幅に応じて対
物レンズを上下動させると、フォーカス引込み範囲が見
つかるまでの間にやはり対物レンズが対象物に衝突する
危険性がある。
Also, even if the focus servo is applied, if the objective lens is too close to the object due to a step that exceeds the focus pull-in range on the surface of the object, if the objective lens is moved up and down according to a certain amplitude, There is also a risk of the objective lens colliding with the object before the focus pull-in range is found.

本発明は上記問題点に鑑み、フォーカス引込み範囲が
見つからない場合や、対象物の面にフォーカス引込み範
囲を越える段差がある場合でも、対物レンズが対象物に
衝突するのを回避することができ、フォーカス引込み範
囲を捜す作業の自動化を図ることができる自動焦点制御
装置を提供することを目的とする。
In view of the above problems, the present invention can prevent the objective lens from colliding with the object even when the focus pull-in range is not found or even when there is a step beyond the focus pull-in range on the surface of the object, An object of the present invention is to provide an automatic focus control device capable of automating a task of searching for a focus pull-in range.

課題を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するため、対物レンズによっ
て対象物の面に集光されたレーザ光の反射光を検出する
光検出手段と、この光検出手段からの出力に応じてフォ
ーカス誤差信号を発生するフォーカス誤差信号発生手段
と、波形信号を発振しその振幅により対物レンズの可動
範囲を設定する発振手段とを備え、前記対物レンズをフ
ォーカス位置に引込んでレーザ光の焦光位置が対象物の
面上に位置するように構成された自動焦点制御装置にお
いて、対象物の高さを検出する高さ検出手段を設け、こ
の高さ検出手段の出力に応じて前記波形信号の振幅を制
御するように構成したことを特徴とする。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present invention provides a light detecting means for detecting reflected light of laser light condensed on a surface of an object by an objective lens, and an output from the light detecting means. A focus error signal generating means for generating a focus error signal in response thereto; and an oscillating means for oscillating a waveform signal and setting a movable range of the objective lens based on its amplitude. In an automatic focus control device configured such that a light position is located on a surface of an object, height detection means for detecting the height of the object is provided, and the waveform signal is output in accordance with an output of the height detection means. Characterized in that the amplitude is controlled.

作用 上記構成によれば、対物レンズの可動範囲を設定する
発振手段の波形信号の振幅を、対象物の高さに応じて制
御するように構成したことにより、前記可動範囲の下限
を対物レンズが対象物に衝突しない位置に設定すること
ができるので、対物レンズを対象物に衝突しない範囲で
上下動させることができる。
According to the above configuration, the amplitude of the waveform signal of the oscillating means for setting the movable range of the objective lens is controlled in accordance with the height of the object, so that the lower limit of the movable range can be set by the objective lens. Since the object lens can be set at a position where it does not collide with the object, the objective lens can be moved up and down within a range where it does not collide with the object.

従って、フォーカス引込み範囲が見つからない場合
や、フォーカス引込み範囲が見つかってフォーカスサー
ボがかかった状態でもフォーカス位置が前記フォーカス
引込み範囲から外れた場合でも、対物レンズが対象物に
衝突するという事態を回避することができる。
Therefore, even when the focus pull-in range is not found, or even when the focus pull-out range is found and focus servo is applied and the focus position deviates from the focus pull-in range, a situation where the objective lens collides with the object is avoided. be able to.

実施例 第1図ないし第7図は、本発明を光学測定装置に適用
した実施例を示している。
Embodiment FIGS. 1 to 7 show an embodiment in which the present invention is applied to an optical measuring device.

本装置は、X−Y−Z座標位置を光ヘテロダイン法に
基いて測定するものであり、半導体レーザ光(λ=780n
m)Gを対象物1の被測定面(面)2に集光し、その反
射光に基いてフォーカスサーボをかけると共に、測定用
He−Neゼーマンレーザ光(λ=633nm)Fを被測定面2
に垂直に照射し、その反射光に基いて傾き補正サーボを
かけながら被測定面2の形状測定を行うものである。
This apparatus measures the XYZ coordinate position based on the optical heterodyne method, and uses a semiconductor laser beam (λ = 780n).
m) G is condensed on the surface (surface) 2 to be measured of the object 1 and focus servo is performed based on the reflected light.
He-Ne Zeeman laser beam (λ = 633nm) F
And the shape of the surface to be measured 2 is measured while performing a tilt correction servo based on the reflected light.

第2図に示す同装置の全体構成において、3は本体ベ
ースとしての下部石定盤、4はこの下部石定盤3との間
に配されたXテーブル5及びYテーブル6を介してX−
Y方向に移動可能な上部石定盤、7はこの上部石定盤4
の前面に設けられZ方向に移動可能に指示されたZ移動
部、8は対象物1を保持するL字状の保持台、9はこの
保持台8をY方向の軸Pまわりに回転させるエアースピ
ンドル、10はこのエアースピンドル9を昇降可能に支持
し且つZ方向の軸Qまわりに旋回可能な旋回台である。
In the overall configuration of the apparatus shown in FIG. 2, reference numeral 3 denotes a lower stone surface plate as a main body base, and 4 denotes an X-axis through an X table 5 and a Y table 6 disposed between the lower stone surface plate 3 and the lower surface plate.
Upper stone surface plate 7 that can be moved in the Y direction.
, A Z-moving unit provided on the front surface of the unit and instructed to be movable in the Z-direction; 8, an L-shaped holding table for holding the object 1; 9, air for rotating the holding table 8 around an axis P in the Y-direction The spindle 10 is a turntable that supports the air spindle 9 so as to be able to move up and down and can turn around the axis Q in the Z direction.

Z移動部7は、第1図に示すように、リニアモータ10
を介してバネ11により上部石定盤4に吊持されている。
Z移動部7の内部には、第3図に示すように、フォーカ
スサーボをかけるためのレーザ光Gを放射する半導体レ
ーザ12が設置されている。半導体レーザ12から放射され
たレーザ光Gは、レンズ13、偏光プリズム14、λ/4波長
板15を通過してダイクロイックミラー16で下向きに全反
射され、対物レンズ17の開口いっぱいに入射して対象物
1の被測定面2に集光する。レーザ光Gの集光位置は、
ゼーマンレーザ光FのZ座標測定に用いられる測定光Fz
1の照射位置と略一致する。被測定面2が傾いていれ
ば、レーザ光Gの反射光の一部は前記対物レンズ17の開
口外に向けて反射させられるが、残部は対物レンズ17の
開口内に向けて反射させられる。対物レンズ17に戻った
反射光はダイクロイックミラー16及び偏光プリズム14で
夫々全反射された後、レンズ18で集光されその光路途中
でハーフミラー19により二分割される。分割された各反
射光は、前記レンズ18の焦点前側位置及び焦点後側位置
に設置された夫々のピンホール20を通過し、夫々のPIN
フォトダイオード(光検出手段)21に照射される。
As shown in FIG. 1, the Z moving unit 7 includes a linear motor 10
And is suspended on the upper stone surface plate 4 by a spring 11 through the spring.
As shown in FIG. 3, a semiconductor laser 12 that emits a laser beam G for performing focus servo is installed inside the Z moving unit 7. The laser light G emitted from the semiconductor laser 12 passes through the lens 13, the polarizing prism 14, and the λ / 4 wavelength plate 15, is totally reflected downward by the dichroic mirror 16, enters the entire opening of the objective lens 17, and enters the target. The light is focused on the surface 2 to be measured of the object 1. The focusing position of the laser light G is
Measurement light Fz used for Z coordinate measurement of Zeeman laser light F
This is almost the same as the irradiation position of 1 . If the surface 2 to be measured is inclined, a part of the reflected light of the laser light G is reflected toward the outside of the opening of the objective lens 17, but the rest is reflected toward the inside of the opening of the objective lens 17. The reflected light that has returned to the objective lens 17 is totally reflected by the dichroic mirror 16 and the polarizing prism 14, respectively, then condensed by the lens 18, and is split into two by the half mirror 19 in the optical path. Each of the divided reflected lights passes through the respective pinholes 20 installed at the pre-focal position and the post-focal position of the lens 18, and the respective PINs
The light is irradiated to a photodiode (light detecting means) 21.

これらピンホール20の大きさ及び位置は、対物レンズ
17の焦点が被測定面2にあるとき、第4図及び第5図に
示すように、各PINフォトダイオード21で検出される光
量が互いに等しくなるように設定されている。従って被
測定面2と対物レンズ17との間の距離(Z方向)が変化
すると、ピンホール20前後の集光位置が光軸方向にずれ
て各PINフォトダイオード21に対する照射光量に差がで
きる。例えば被測定面2と対物レンズ17との間の距離が
対物レンズ17の焦点距離よりも短くなった場合、各集光
位置はレンズ18の焦点よりも夫々のPINフォトダイオー
ド21に接近する。これにより、焦点前側位置にピンホー
ル20が設置されたPINフォトダイオード21では前記ピン
ホール20によって遮られる反射光の量が増加して光量が
減少し、焦点後側位置にピンホール20が設置されたPIN
フォトダイオード21では前記ピンホール20によって反射
光が遮られず光量が変化しないか、又は遮られる反射光
の量が減少して光量が増加する。前記距離が長くなった
場合はこの逆となる。この結果、被測定面2と対物レン
ズ17との間の距離に応じて両PINフォトダイオード21、2
1間に出力差が生じる。
The size and position of these pinholes 20
When the focal point of 17 is on the surface 2 to be measured, as shown in FIGS. 4 and 5, the amounts of light detected by the PIN photodiodes 21 are set to be equal to each other. Therefore, when the distance (Z direction) between the surface 2 to be measured and the objective lens 17 changes, the light condensing positions before and after the pinhole 20 shift in the optical axis direction, resulting in a difference in the amount of light applied to each PIN photodiode 21. For example, when the distance between the surface 2 to be measured and the objective lens 17 is shorter than the focal length of the objective lens 17, each condensing position is closer to the respective PIN photodiode 21 than the focal point of the lens 18. Accordingly, in the PIN photodiode 21 in which the pinhole 20 is provided at the front position on the focal point, the amount of reflected light blocked by the pinhole 20 increases and the amount of light decreases, and the pinhole 20 is provided on the rear position on the focal point. PIN
In the photodiode 21, the reflected light is not blocked by the pinhole 20 and the light amount does not change, or the amount of the reflected light that is blocked decreases and the light amount increases. The reverse is true when the distance increases. As a result, both PIN photodiodes 21 and 2 are changed according to the distance between the surface 2 to be measured and the objective lens 17.
There is an output difference between one.

これらPINフォトダイオード21の出力の差に応じて、
フォーカス誤差信号発生部(フォーカス誤差信号発生手
段)22でフォーカス誤差信号が発生する。尚、PINフォ
トダイオード21に流れる電流は夫々電流電圧変換回路75
によって電圧に変換された後、フォーカス誤差信号発生
部22に導かれる。第5図に示すように、被測定面2上の
被集光面が傾いている場合は2つのPINフォトダイオー
ド21への光量は夫々低下するが、両PINフォトダイオー
ド21、21間での光量差は発生せずフォーカス誤差は発生
しない。
Depending on the difference between the outputs of these PIN photodiodes 21,
A focus error signal is generated by a focus error signal generator (focus error signal generator) 22. The current flowing through the PIN photodiode 21 is a current-voltage conversion circuit 75
After that, the voltage is converted into a voltage, and then guided to the focus error signal generator 22. As shown in FIG. 5, when the light-collecting surface on the measured surface 2 is inclined, the amount of light to the two PIN photodiodes 21 decreases, but the amount of light between the two PIN photodiodes 21 and 21 decreases. No difference occurs and no focus error occurs.

第1図においてスイッチSW2が仮想線で示す位置にあ
るとき、駆動回路23は前記フォーカス誤差信号がゼロと
なるようにリニアモータ10を制御し、Z移動部7をZ方
向に移動させる。このようにして、対物レンズ17の焦点
が常に被測定面2にあるようにフォーカスサーボがかけ
られる。
When the switch SW 2 is in the position shown in phantom in FIG. 1, the driving circuit 23 controls the linear motor 10 so that the focus error signal becomes zero, moves the Z moving unit 7 in the Z-direction. In this way, the focus servo is applied so that the focal point of the objective lens 17 is always on the surface to be measured 2.

次に、第1図を用いて、フォーカスサーボ系の詳細な
説明を行う。
Next, the focus servo system will be described in detail with reference to FIG.

同図において、73はZ移動部7のZ方向における平衡
位置からの変位量を検出する位置検出器、74は位置検出
器73からの出力に応じて位置信号を発生する位置信号発
生回路、76は0.3Hzの周波数を発振する発振器(発振手
段)、78は基準電圧発生部82から出力される基準電圧に
基きバネ11の復元力の影響をなくすように前記位置信号
を増幅して駆動回路23に信号を送る差動増幅器、79はゲ
インコントロール回路、80は対象物1の被測定面2の高
さを測定する高さ測定器、81はその高さに応じて前記周
波数の振幅を制御するための高さ信号を出力する高さ信
号発生回路、83はサンプル・ホールド回路である。
In the figure, reference numeral 73 denotes a position detector for detecting the amount of displacement of the Z moving unit 7 from the equilibrium position in the Z direction; 74, a position signal generating circuit for generating a position signal in accordance with the output from the position detector 73; Is an oscillator (oscillating means) that oscillates a frequency of 0.3 Hz. 78 is a drive circuit 23 that amplifies the position signal based on the reference voltage output from the reference voltage generator 82 so as to eliminate the influence of the restoring force of the spring 11. , 79 is a gain control circuit, 80 is a height measuring device for measuring the height of the surface 2 to be measured of the object 1, and 81 is the amplitude of the frequency according to the height. Is a height signal generating circuit for outputting a height signal for the sample, and 83 is a sample and hold circuit.

フォーカス引込み範囲は、第6図に示すように、対物
レンズ17の可動範囲(約20mm)に比べて非常に狭い(約
10μm)ため、フォーカスサーボをかける前にフォーカ
ス引込み範囲を捜す必要がある。そこで対象物1をセッ
トする前に、スイッチSW2及びスイッチSW3を実線で示す
位置にセットすると共にスイッチSW1を開いておき、基
準電圧発生部82によってZ移動部7を可動範囲の最上位
置に設定する。対象物1がセットされると、先ず高さ測
定器80で得られる信号が高さ信号発生回路81によって対
象物1の最も高い点の位置信号に変換され、この位置信
号に応じて発振器76の振幅が対物レンズ17が対象物1に
衝突するより若干小さい値に設定された後、スイッチSW
1が閉じられる。これにより、Z移動部7は可動範囲の
最上位置から対象物1の最も高い点の直上位置に向って
下降を開始する。下降途中でフォーカス誤差信号が検出
されるとすなわちフォーカス引込み範囲に入るとスイッ
チSW2が仮想線の位置に切替わり、フォーカスサーボが
かかる。もし下降途中でPINフォトダイオード21の故障
や断線などの異常によりフォーカス誤差信号が検出され
ない場合は、対物レンズ17が対象物1の最も高い点の少
し上となる位置でZ移動部7は停止し、再びスイッチSW
1が開いてZ移動部7を可動範囲の最上位置に退避させ
る。このようにして、フォーカス引込み範囲が見つから
ない場合でも、フォーカス引込み範囲を捜す作業を対物
レンズ17を対象物1に衝突させることなく自動化するこ
とができる。
As shown in FIG. 6, the focus pull-in range is very narrow (about 20 mm) as compared with the movable range (about 20 mm) of the objective lens 17.
10 μm), it is necessary to search the focus pull-in range before applying the focus servo. So before setting the object 1, the uppermost position of the movable range in the Z moving unit 7 have opened the switch SW 1, the reference voltage generating unit 82 as well as sets the position indicating the switch SW 2 and the switch SW 3 by a solid line Set to. When the object 1 is set, first, a signal obtained by the height measuring device 80 is converted into a position signal of the highest point of the object 1 by the height signal generation circuit 81, and the oscillator 76 operates in accordance with the position signal. After the amplitude is set to a value slightly smaller than the object lens 17 colliding with the object 1, the switch SW
1 is closed. Accordingly, the Z moving unit 7 starts descending from the uppermost position of the movable range toward the position immediately above the highest point of the object 1. Lowering the way the focus when the error signal is detected i.e. enters the focus capture range switch SW 2 is switched to the position of the virtual line, the focus servo is. If the focus error signal is not detected due to an abnormality such as a failure or disconnection of the PIN photodiode 21 during the downward movement, the Z moving unit 7 stops at a position where the objective lens 17 is slightly above the highest point of the object 1. , Switch SW again
1 is opened and the Z moving unit 7 is retracted to the uppermost position of the movable range. In this way, even when the focus pull-in range cannot be found, the operation of searching for the focus pull-in range can be automated without causing the objective lens 17 to collide with the object 1.

フォーカスサーボがかかった状態で、光学系全体をX
−Y方向に移動させると、レーザ光Gの焦光位置が常に
対象物1の被測定面2上に合うようにZ移動部7がZ軸
方向に追従する。しかし対象物1の被測定面2にフォー
カス引込み範囲を越える段差があった場合、対物レンズ
17の位置はフォーカス引込み範囲から外れフォーカス誤
差信号が検出されなくなる。この場合は、サンプル・ホ
ールド回路83がサンプル状態からホールド状態に切替わ
り、更にスイッチSW3が仮想線の位置に切替わった後、
スイッチSW2が実線の位置に切替わる。これにより、対
物レンズ17をフォーカス引込み範囲から外れる前のフォ
ーカス位置に保持することができる。ここで前回のフォ
ーカス位置が被測定面2に接近し過ぎている場合は、発
振器76の振幅が前回よりも若干小さい値に再設定され
る。次いでスイッチSW1が閉じてZ移動部7を下動させ
る。その途中でフォーカス誤差信号が検出され新たなフ
ォーカス引込み範囲に入ると、スイッチSW2が仮想線の
位置に切替わり、再びフォーカスサーボがかかる。もし
再設定された最下位置まで下がってもフォーカス誤差信
号が検出されない場合はZ移動部7が上動し、それでも
検出されない場合は可動範囲の最上位置で停止する。こ
のようにして、対象物1の被測定面2にフォーカス引込
み範囲を越えるような段差があって対物レンズ17が前記
フォーカス引込み範囲から外れた場合でも、フォーカス
引込み範囲を捜す作業を対物レンズ17を対象物1に衝突
させることなく自動化することができる。
With the focus servo on, the entire optical system
When the laser beam G is moved in the -Y direction, the Z moving section 7 follows the Z-axis direction so that the focal position of the laser beam G always matches the measured surface 2 of the object 1. However, if the measured surface 2 of the object 1 has a step beyond the focus pull-in range, the objective lens
The position 17 is out of the focus pull-in range, and no focus error signal is detected. In this case, after the sample and hold circuit 83 switches from the sample state to the hold state, and furthermore, the switch SW 3 switches to the position of the virtual line,
Switched switch SW 2 is in the solid line position. Thus, the objective lens 17 can be held at the focus position before the focus falls out of the focus pull-in range. Here, if the previous focus position is too close to the measured surface 2, the amplitude of the oscillator 76 is reset to a value slightly smaller than the previous time. Then the switch SW 1 is moved downward in the Z moving unit 7 is closed. When the middle into the focus new focus pull range error signal is detected, the switch SW 2 is switched to the position of the virtual line, the focus servo again consuming. If the focus error signal is not detected even if the focus error signal is detected even if the focus position is lowered to the reset lowest position, the Z moving unit 7 moves upward. If the focus error signal is not detected yet, the Z movement unit 7 stops at the highest position in the movable range. In this manner, even when the measured surface 2 of the object 1 has a step beyond the focus pull-in range and the objective lens 17 is out of the focus pull-in range, the operation of searching for the focus pull-in range is performed by the objective lens 17. Automation can be performed without causing collision with the object 1.

次に、傾きサーボ系について説明する。2つの周波数
f1、f2で発振するHe−Neゼーマン周波数安定化レーザ24
から放射されたレーザ光Fは、第1のハーフミラー25を
透過して測定位置のX−Y座標測定に用いられるレーザ
光Fxyと、第1のハーフミラー25で反射されて測定位置
のZ座標測定に用いられるレーザ光Fzとに分離される。
更に前記レーザ光Fxyは、第2のハーフミラー26で反射
され測定位置のX座標測定に用いられるレーザ光Fxと、
第2のハーフミラー26を透過して測定位置のY座標測定
に用いられるレーザ光Fyとに分離される。その後、前記
レーザ光Fzは偏光プリズム27で、測定光Fz1と参照光Fz2
とに分離される。測定光Fz1の周波数f1と参照光Fz2の周
波数f2との差は数百KHzで互いに垂直な直線偏光となっ
ている。尚、前記レーザ光Fx、Fyも、各光路途中で夫々
のコーナキューブ44によって測定光Fx1、Fy1と参照光Fx
2、Fy2とに分離される。
Next, the tilt servo system will be described. Two frequencies
He-Ne Zeeman frequency-stabilized laser 24 oscillating at f 1 and f 2
Is transmitted through the first half mirror 25 and is used for measuring the XY coordinates of the measurement position, and the Z coordinate of the measurement position reflected by the first half mirror 25. It is separated into laser light Fz used for measurement.
Further, the laser light Fxy is reflected by the second half mirror 26 and used for measuring the X coordinate of the measurement position with the laser light Fx;
The light passes through the second half mirror 26 and is separated into laser light Fy used for measuring the Y coordinate of the measurement position. Thereafter, the laser beam Fz is a polarizing prism 27, the measurement beam Fz 1 and the reference beam Fz 2
And separated. The difference between the frequency f 2 of the frequency f 1 and the reference light Fz 2 of the measuring beam Fz 1 has a linear polarization perpendicular to each other a few hundred KHz. Note that the laser beams Fx and Fy are also measured by the respective corner cubes 44 in the respective optical paths, and the measurement beams Fx 1 and Fy 1 and the reference beam Fx
2, is separated into the Fy 2.

Z座標測定に用いられる測定光Fz1は、第7図に示す
ように、P偏波を全透過しS偏波を部分透過する特殊偏
光プリズム28と、ファラデー素子29と、λ/2板30とを通
過し、S偏波となって偏光プリズム31で全反射される。
そしてλ/4板32、集光レンズ33を通過し、ミラー34上に
集光して反射された測定光Fz1は前記λ/4板32によって
P偏波となり、前記偏光プリズム31を全透過して対物レ
ンズ17に入射し、被測定面2に垂直に集光される。被測
定面2からの反射光は上記入射光と同一光路を戻るが、
S偏波となって特殊偏光プリズム28で一部反射された
後、偏光プリズム27で全反射され、Z軸光検出器35に達
する。被測定面2の形状測定時は、被測定面2上の測定
点のZ座標の変動速度に応じて前記反射光の周波数がド
プラーシフトし、f1+Δとなる。尚、反射光の光路が被
測定面2の傾きに応じてズレようとする際は、特殊偏光
プリズム28で一部反射された反射光を4分割光検出器36
が検知し、集光レンズ移動手段37により集光レンズ33を
X−Y方向に移動させて入射光の対物レンズ17への入射
位置を変化させることにより、常に反射光が同一光路を
戻るように傾き補正サーボがかけられる。
Measuring beam Fz 1 used for Z coordinate measurement, as shown in FIG. 7, a special polarizing prism 28 which partially transmits the S polarized totally transmits the P polarization, the Faraday element 29, lambda / 2 plate 30 , And becomes S-polarized light, and is totally reflected by the polarizing prism 31.
The lambda / 4 plate 32, passes through the condenser lens 33, the measurement light Fz 1 reflected by condensing on the mirror 34 becomes a P polarization by the lambda / 4 plate 32, all transmitted through the polarizing prism 31 Then, the light enters the objective lens 17 and is condensed perpendicularly to the surface 2 to be measured. The reflected light from the measured surface 2 returns along the same optical path as the incident light,
After being partially polarized by the special polarizing prism 28 as S-polarized light, it is totally reflected by the polarizing prism 27 and reaches the Z-axis photodetector 35. When measuring the shape of the surface 2 to be measured, the frequency of the reflected light is Doppler-shifted according to the speed of change of the Z coordinate of the measurement point on the surface 2 to be measured, and becomes f 1 + Δ. When the optical path of the reflected light is to be shifted in accordance with the inclination of the surface 2 to be measured, the reflected light partially reflected by the special polarizing prism 28 is converted into a four-divided photodetector 36.
Is detected, and the condenser lens 33 is moved in the XY directions by the condenser lens moving means 37 to change the incident position of the incident light to the objective lens 17 so that the reflected light always returns to the same optical path. The tilt correction servo is applied.

一方、参照光Fz2は前記偏光プリズム27で全反射され
た後、レンズ38によってZ軸ミラー39上に集光され、反
射されて前記Z軸光検出器35に達する。反射光の周波数
は、X、Yテーブル5、6の移動真直度などの誤差によ
り、f2+δとなる。従ってZ軸光検出器35では、(f1
Δ)−(f2+δ)がビート信号として検出され、Z座標
検出装置37において被測定面2の測定位置のZ座標が正
確に得られる。
On the other hand, the reference beam Fz 2, after being totally reflected by the polarizing prism 27, is condensed on the Z-axis mirror 39 by the lens 38, is reflected reaches the Z-axis light detector 35. The frequency of the reflected light is f 2 + δ due to errors such as the straightness of movement of the X and Y tables 5 and 6. Therefore, in the Z-axis photodetector 35, (f 1 +
Δ) − (f 2 + δ) is detected as a beat signal, and the Z coordinate of the measurement position on the surface 2 to be measured is accurately obtained by the Z coordinate detection device 37.

被測定面2の測定位置のX、Y座標は、Z移動部7の
外壁面に設置したX、Y軸ミラー38、39に集光された測
定光Fx1、Fy1の反射光と、下部石定盤1側に設置した
X、Y軸ミラー40、41に集光された参照光Fx2、Fy2の反
射光との周波数の差によって、X、Y軸光検出器42、43
で検出される。
The X and Y coordinates of the measurement position on the surface to be measured 2 are the reflected light of the measurement light beams Fx 1 and Fy 1 collected on the X and Y axis mirrors 38 and 39 installed on the outer wall surface of the Z moving unit 7 and the lower portion. The X and Y axis photodetectors 42 and 43 are provided by the difference in frequency between the reference lights Fx 2 and Fy 2 reflected on the X and Y axis mirrors 40 and 41 installed on the stone surface plate 1.
Is detected by

発明の効果 本発明は上記構成、作用を有するので、対物レンズを
対象物に衝突しない範囲で上下動させることができ、フ
ォーカス引込み範囲が見つからない場合やフォーカス引
込み範囲が見つかってフォーカスサーボがかかった状態
でもフォーカス位置が前記フォーカス引込み範囲から外
れた場合でも対物レンズが対象物に衝突するという事態
を回避することができる。この結果、フォーカス引込み
範囲を捜す作業の自動化を図ることができる。
Since the present invention has the above-described configuration and operation, the objective lens can be moved up and down in a range where the objective lens does not collide with the object, and when the focus pull-in range is not found or when the focus pull-in range is found, the focus servo is applied. Even in this state, even when the focus position deviates from the focus pull-in range, it is possible to avoid a situation in which the objective lens collides with the object. As a result, the operation of searching for the focus pull-in range can be automated.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の実施例のブロック図、第2図は本実施
例における光学測定装置の斜視図、第3図は同装置にお
けるフォーカスサーボ系の光路図、第4図は対物レンズ
がフォーカス位置にあるときの光路図、第5図は対象物
の面が傾いたときの光路図、第6図はフォーカス誤差信
号のグラフ、第7図は同装置における傾きサーボ系の光
路図、第8図は従来例のブロック図である。 17……対物レンズ 21……光検出手段 22……フォーカス誤差信号発生手段 76……発振手段 80、81……高さ検出手段
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view of an optical measuring apparatus in the present embodiment, FIG. 3 is an optical path diagram of a focus servo system in the apparatus, and FIG. 5 is an optical path diagram when the surface of the object is tilted, FIG. 6 is a graph of a focus error signal, FIG. 7 is an optical path diagram of a tilt servo system in the same device, and FIG. The figure is a block diagram of a conventional example. 17 Objective lens 21 Light detecting means 22 Focus error signal generating means 76 Oscillating means 80, 81 Height detecting means

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】対物レンズによって対象物の面に集光され
たレーザ光の反射光を検出する光検出手段と、この光検
出手段からの出力に応じてフォーカス誤差信号を発生す
るフォーカス誤差信号発生手段と、波形信号を発振しそ
の振幅により対物レンズの可動範囲を設定する発振手段
とを備え、前記対物レンズをフォーカス位置に引込んで
レーザ光の焦光位置が対象物の面上に位置するように構
成された自動焦点制御装置において、対象物の高さを検
出する高さ検出手段を設け、この高さ検出手段の出力に
応じて前記波形信号の振幅を制御するように構成したこ
とを特徴とする自動焦点制御装置。
1. A light detecting means for detecting reflected light of laser light converged on a surface of an object by an objective lens, and a focus error signal generating means for generating a focus error signal in accordance with an output from the light detecting means. Means for generating a waveform signal and oscillating means for setting the movable range of the objective lens by its amplitude, so that the objective lens is pulled into a focus position so that the focal position of the laser light is positioned on the surface of the object. Wherein the height of the target object is detected, and the amplitude of the waveform signal is controlled in accordance with the output of the height detection means. Automatic focus control device.
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