JP4473066B2 - オートフォーカス装置 - Google Patents

Description

本発明はオートフォーカス装置に関するもので、半導体レーザ光源からの光束で対物レンズの焦点位置近傍に設置される物体表面を照明し、その反射光を用いて対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を求め対物レンズ位置を補正するようにしたものである。

半導体レーザを光源とする光学系で観察する物体の表面を照明し、その表面形状を観察測定する装置は各種の分野で使用されている。このような装置で問題となることの１つにオートフォーカス時の精度があげられる。
この精度を左右する原因の１つに散乱光の問題がある。この散乱光とはスペックル現象による干渉縞や、物体面に付けられたキズ、極端な凹凸（突起）などによって生じる部分的な高輝度反射光をいい、この散乱光が発生するとオートフォーカス測定時に全体の測定光の分布が影響を受けてしまい正確な測定が損なわれてしまう。上記したスペックル現象は周知のように、表面形状が不規則な物体の各点から散乱される反射光が互いにランダムな位相関係で、幾つも重なり合った結果生じる干渉縞と考えられていて、その不安定な発生状態がオートフォーカス精度を左右する原因となっている。しかもこのスペックルはレーザを光源として使用する限り、レーザ光自身が持つ光の性質や測定する物体の表面粗さ程度とその角度、測定装置に加えられる各種の振動などによってどうしても発生してしまう。従ってこのような散乱光の発生を抑えるための工夫、或いは発生してしまった散乱光を抑制し浄化するための手段を設置することが、オートフォーカス精度を向上することになる。
このような散乱光に対してこれまでは、観察する物体表面からの反射光を途中で加工するようにした散乱光浄化手段を新たに設置して対応するようにしているものが多い。例えば物体表面からの反射光をビデオ情報として取り出し、それをデジタル化して記憶し、そのデジタル画像の中から最大輝点となる位置を求めてその位置を、物体表面が存在する位置として認識するようにしたものがある（特許文献１）。また物体表面からの反射光を２つに分割して取りだし、それぞれを別個の検出器で検出できるよう２つの光学系を形成し、両者を比較するようにしたものも知られている（特許文献２）。しかしいずれも複雑な手段や特別の光学系を別途設置しなければならず、装置全体が大型化して高価となってしまっていた。
特開平７−５５４２１号公報 特開平６−２１３６５８号公報

本発明は上記散乱光の問題を解決し、安定した正確な観察測定ができるようなオートフォーカス装置を求めることである。それもレーザ光源を使用するにも係わらず、複雑な手段や特別の光学系を設置することなしに物体表面で発生するスペックル問題も解消し、併せて小形で安価なオートフォーカス装置を求めることである。

上記目的を達成するため本発明は、半導体レーザ光源と、この光源からの光束を受けて平行光束とするレンズと、このレンズからの平行光束を受けて物体の表面位置近傍に焦点を結ぶ対物レンズと、レンズと対物レンズ間の平行光束中に設置され、対物レンズが照明した物体からの反射光を受けて多分割フォトダイオードで構成した受光部側に反射するビームスプリッタと、このビームスプリッタからの反射光束をシリンドリカルレンズを介して受け、前記受光部に測定光として投影する結像レンズと、で測定光学系を構成し、受光部に投影された測定光の形状に応じて対物レンズを光軸方向に上下動し、物体表面位置に対する対物レンズの焦点位置を求めるようにしたオートフォーカス装置において、レンズとビームスプリッタ間の平行光束中に複数の孔を規則性を持って配置した多孔フイルタを設置し、この多孔フイルタを通過し回折現象で分散された夫々の光束を、対物レンズでその焦点位置近傍に設置される物体表面上に多点状にして結像し、その結像位置からの多点状反射光を受光部に向かわせ、この多点状反射光の集合を１つの測定光束として対物レンズの焦点位置を求めるようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明によるものは、請求項１記載のオートフォーカス装置において大サイズ孔を複数配置した大サイズ孔フイルタと、小サイズ孔を複数配置した小サイズ孔フイルタを、孔同士が重ね合うよう対にして配置し、両孔を通過した光束が物体側に向かうようにした多孔フイルタとしたことを特徴とする。
請求項３の発明によるものは、請求項１記載のオートフォーカス装置において対物レンズの焦点距離に応じて孔のサイズ、配列ピッチを変えた多孔フイルタとしたことを特徴とする。

本発明は半導体レーザ光源からの光束で対物レンズの焦点位置近傍に設置される物体表面を照明し、その反射光を多分割フォトダイオードで構成した受光部に導く測定光学系を使用する。そしてこの光学系中の光源と対物レンズ間に、孔配列に規則性を持たせた多孔フイルタを設置する事を特徴とする。それによって物体表面は多孔フイルタを通して照明されるが、より具体的には多孔フイルタで発生した回折現象による回折パターンで多点状に分散照明される。それによって受光部上には回折パターンで多点状に分散照明された物体表面からの反射光と、この反射光によって発生するであろう散乱光が測定光となって投影される。この測定光によって物体表面位置に対する対物レンズ焦点位置を求めていく。従ってこれまで受光部上に投影された１つの測定光だけで判定していた物体表面位置に対する対物レンズ焦点位置は、多分割フォトダイオードのそれぞれに分散して投影された測定光によって判定されるようになる。それによって物体上に発生したスペックルやその他の散乱光もその形状、数、発生場所などにかかわらず各測定光の一部として検出され、分散された測定光の数に応じて散乱光自身が抑制され浄化されたようになる。そのため物体表面は不安定な散乱光から解放され、安定した正確な表面形状が捉えられようになる。このような受光部からの信号を演算部に向かわせ対物レンズ位置を求めるようにしたので、対物レンズ焦点位置と物体表面位置間の距離を正確に測定しオートフォーカスを実施することが出来る。それも測定光学系中に多孔フイルタを設置するだけという単純な構成であるから、複雑な手段や特別の光学系を新たに設置することもなく、全体として小形で経済的にも安価な装置を提供することが出来る。

以下に本発明に係わる装置について図面を参照しながら説明する。図１は一般的な従来装置を測定光学系１を中心として示したものである。半導体レーザ光源２からの光はレンズ３によって平行光束となり、ビームスプリッタ４を経て対物レンズ５によってその焦点位置近傍に設置される物体６の観察面上を照明する。物体６表面の観察面が対物レンズ５の焦点位置近傍にあれば、観察面からの反射光がビームスプリッタ４に向かい、そこで９０度反転して結像レンズ７で集光され受光部８に達する。９は光路中に設置されたＸ、Ｙ方向の２つのシリンドリカルレンズである。受光部８は例えばフォトダイオード８ＰやＣＣＤ８Ｃなどで構成され、受光部を４分割フォトダイオード８Ｐとすれば、その各ダイオードからの出力は演算部１１に送られ各出力値が比較され、その結果が駆動制御部１２に伝えられ対物レンズ５を光軸方向に移動させる。また受光部をＣＣＤ８Ｃに切り替えればその出力を表示部１０に送って物体表面の像として表示する。

図２は受光部８Ｐと、この受光部８Ｐからの信号を受けて演算する演算部１１の関係を示した説明図である。図１において物体６は測定光学系１内の対物レンズ５焦点位置近傍に位置していて、スペックルが一切発生しない状態にあると仮定したとき、物体６表面からの反射光束は、図２Ａのように受光部８Ｐを構成する４つのフォトダイオードａ〜ｄの中心部に投影される。図ではこの中心部に投影された１つの測定光束を１３として示してある。このような状態にあるとき受光部８Ｐが検出した測定光の出力を受ける演算部１１は、各フォトダイオードａ〜ｄの出力に基づいて、
（（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ））／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）・・・・・・・１式
の除算を実施する。測定光束１３は前記のように受光部８Ｐの中心部に投影されているから除算の結果は「０」となり、この「０」を出力して図１の駆動制御部１２に送り出す。しかし駆動制御部１２は「０」信号のため動作せず、対物レンズ５は静止したままで移動しない。それによって対物レンズ５の焦点位置と測定する物体６の表面位置は一致していて、両者間の距離は「０」と認識される。
図２Ｄはこの演算部１１からの出力状態を説明するもので、横軸は光学系対物レンズ５のＺ方向の位置を表し、縦軸は演算部１１の出力電圧を示している。受光部８Ｐでの投影状態が図２Ａのような状態にあれば、演算部１１の演算結果は「０」であるから横軸と縦軸の交点位置１４が出力電圧となり、その結果、駆動制御部１２は動作しないままとなる。物体６の観察面位置に対して対物レンズ５の焦点位置が何等かの理由によって図１の６ａのように光軸方向光源側に位置して焦点誤差を生じているとき、受光部８Ｐに投影される反射光束はシリンドリカルレンズ９の作用によって図２Ｂの様な右肩上がりの斜体１５となる。そのため受光部８Ｐを構成するフォトダイオードからの出力は（ａ＋ｃ）＜（ｂ＋ｄ）となる。従って演算部１１が実施する１式の演算結果はマイナスとなり、図２Ｄ上で縦軸を中心として左側での判定となる。仮に１式の結果を−４ｖとしたとき、その時の対物レンズ５位置１６を測定すると横軸のように−０．４ｍｍが得られる。そのため図上、交点１４位置とレンズ位置１６間のずれが図１の物体６観察面位置と対物レンズの焦点位置６ａのずれとなる。
こうして得られた−４ｖの信号が演算部１１から駆動制御部１２に伝えられると、駆動制御部１２は観察面位置が−０．４ｍｍ離れていると判断し、対物レンズ５を光軸上で光源側に移動させていく。この移動に伴って受光部８Ｐで受ける光束は次第に図２Ａの光束１３状態に近づき、位置１６が交点位置１４方向に徐々に近づいていく。そして最終的には図２Ａの基本測定光束１３状態となって駆動制御部１２からの信号も停止する。

一方、物体６の観察面位置に対して対物レンズ５の焦点位置が、図１の６ｂの様に光源２から遠ざかる方向に位置して焦点誤差を生じる場合もある。そのときは受光部８Ｐに導かれる物体表面からの反射光束は図２Ｃの様に左肩上がりの斜体１７となる。そのため受光部８Ｐで光電変換された出力は（ａ＋ｃ）＞（ｂ＋ｄ）となって、１式の演算結果はプラスとなり図２Ｄの縦軸を中心として右側での判定となる。仮に２式の演算結果が＋４ｖであったとすれば、その時の対物レンス位置を測定すると横軸のように＋０．４ｍｍが得られる。そのため図上、交点１４位置とレンズ位置１８間のずれが図１の物体６観察面位置と対物レンズの焦点位置６ｂのずれとなる。こうして得られた＋４ｖの信号が演算部１１から駆動制御部１２に伝えられると、駆動制御部１２は観察面位置が＋０．４ｍｍ離れていると判断し、対物レンズ５を光軸上で光源２から離れる方向に移動していく。この移動に伴って受光部８Ｐで受ける光束が次第に図２Ａの光束１３状態に近づくと、位置１８は交点位置１４方向に徐々に近づき、最終的には図２Ａの基本測定光束１３状態となって駆動制御部１２からの信号も停止する。
以上のように対物レンズ５の焦点位置と物体６表面の位置関係は、図２Ｄの様に位置１６、交点１４、位置１８を結ぶライン１９によって決定され、このライン１９上で対物レンズ５を光軸方向に移動させることになる。対物レンズ５をこのライン１９に沿って正確に移動させるためには物体表面からの反射光束が受光部８Ｐ上に測定光として投影されたとき、光束１３、１５、１７のそれぞれを明瞭に区別し識別できることが重要となる。

しかしながら通常の測定作業では散乱光の影響を考慮しなければならない。特に予測不能なスペックルの発生は距離の測定に影響を与える。例えば、対物レンズ５焦点位置と物体６表面の測定面間距離は１μｍ程度の範囲でピントを保つ関係にあるが、両者間の相対的な距離が近づけば近づくほど、つまり対物レンズ５の焦点位置と物体表面位置が一致してくるほどスペックルは発生しやすくなる。一般的にスペックルのパターンサイズは光源による物体表面上の照射面積に反比例するとされているが、スペックルパターンが大きくなれば物体表面からの反射光分布に歪みが生じて識別に影響が生じるようになって、前記した図２の光束１３、１５、１７の明確な区別が困難となり、受光部８Ｐは焦点誤差のある出力を演算部１１に送り出してしまう。
このように散乱光の内、特にスペックルの問題はレーザ光源のスポットを絞って光触針部となる照射面積（フォーカスポイント）を小さくすればするほど発生しやすくなり、また対物レンズの焦点位置を物体表面に近づけてピント精度を高めれば高めるほどスペックルが発生しやすくなるというやっかいな状態にある。傷などによって発生する散乱光の対策は比較的一義的に対処できるので、以下はこのスペックル対策を中心として説明していく。

図３は上記したようなスペックルが発生したとき受光部８Ｐ上に投影される測定光の状態を示した説明図である。図においてＡは受光部８Ｐ上に物体６からの反射光束が焦点誤差もスペックルもない状態で投影した基本測定光束１３を示している。この様な基本状態にある時、受光部８Ｐからの出力は（ａ＋ｃ）＝（ｂ＋ｄ）であり、前記１式による除算結果は「０」となる。図のＢ〜Ｅはスペックル２０が発生したときの幾つかの例を示したもので、Ｂは受光部８Ｐのａ部にスペックル２０−１が発生し、その結果、図の右側に示したように測定光束１３のａ部に欠落が生じた光束１３ａとなり、（ａ＋ｃ）＜（ｂ＋ｄ）として認識されてしまう例である。そのため本来基本光束１３として受光部８Ｐに投影されたにもかかわらず、スペックル２０−１によって演算部１１は図２Ｂの光束１５に類似したものと判断してしまう。Ｃは受光部８Ｐのａ、ｂ部に幾つかの小さなスペックル２０−２が群として発生したもので、やはり光束１３として認識されるべきものが、ａ、ｂ部の一部が欠落した光束１３ｂとして認識されてしまう例である。しかしこの場合、演算部１１は（ａ＋ｃ）≒（ｂ＋ｄ）と判断するので対物レンズ５は移動しない。同じくＤはｂ、ｄ部にスペックル２０−３が発生して、その結果図２Ｃの斜体１７に類似した光束１３ｃとされ、（ａ＋ｃ）＞（ｂ＋ｄ）と認識されて焦点誤差を起こしてしまう例である。Ｅはａ、ｂ、ｃ、ｄ部にスペックル２０−４が発生し、その結果図２のＡ、Ｂ、Ｃに属さない中空形状の光束１３ｄとなってしまっている。このように幾つかの条件の積み重ねによって多種のスペックルが発生するが、ＢからＥに例示したものだけでなくその形状、サイズは様々に変化して安定せず、検出される測定光１３は複雑に変化してしまう。それらによって受光部上での検出作業は不安定となり、演算部１１の判定作業が複雑となって、その結果は信頼性の低いものとなる。
以上の説明は受光部８Ｐ上に測定光束１３が投影された状態を示しているが、ＣＣＤ８Ｃを設置したときもスペックル２０は同じように発生する。そのため受光部８Ｃ上で図３Ｂ〜Ｅの光束１３ａ〜１３ｄの様な変化を繰り返したり、或いは一部が欠けた状態や光束の境目がぼやけた不鮮明な反射光となる。これを表示部１０で確認すれば像自身が安定せず不鮮明なものとなる。従って受光部８Ｃ、８Ｐのいずれを光学系中に設置する場合も、この発生したスペックルを抑制し浄化することが重要となる。尚、前記の受光部８Ｐ、８Ｃを切り替える手段は特に図上では示していないが、機械的な方法や光学的な方法などを採用することが出来る。

図４は図１と同様に測定光学系１を中心として示した本発明による実施例１の説明図である。図Ａにおいて２１は光学系１中の光源２と対物レンズ５間に設置した多孔フイルタで、図Ｂの平面図のように薄板状の基板に多数の孔２２が規則性を持って配置されている。光源２からの光束はレンズ３によって平行光束となり、この多孔フイルタ２１を経てビームスプリッタ４、対物レンズ５から物体表面６を照明する。そしてその反射光束は対物レンズ５、ビームスプリッタ４、シリンドリカルレンズ９、結像レンズ７を経て受光部８に達する。このとき物体表面６上は、多孔フイルタ２１の孔２２を通過した光束が対物レ ンズ５によってその焦点位置近傍に結ばれることで照明されるが、それは多孔フイルタ２１を通過することで各孔２２に発生する回折現象の回折パターンによって多点に分散したものとなる。この照明を受けると物体表面からの反射光も分散され、その反射光によって発生するであろうスペックルと共に受光部８に向かう。受光部８は図１と同じようにフォトダイオード８ＰやＣＣＤ８Ｃで構成され、フォトダイオード８Ｐが受光部として光学系中に設置されているときは、その出力が演算部１１、駆動制御部１２に伝えられ対物レンズ５を光軸方向に移動する。ＣＣＤ８Ｃが光学系中に設置されているときは、その受光信号が表示部１０に送られ物体表面の像を表示する。
図４Ｂは多孔フイルタ２１の平面図で、この例では３×３個の孔２２がピッチｐ１、ｐ２で格子状に配列されている。この配列は図のような格子状だけでなく同心円状や、例えば６０度の角度を持った格子状、或いは点対称など、何等かの規則性を持っていれば任意のものを選択することが出来る。このような多孔フイルタ２１を光学系１中に設置すると、レンズ３による平行光束の照射を受けるが、図Ｂではこのレンズ３による照射域を３ａとして表している。照射域３ａ中の各孔２２を通過した光束が対物レンズ５によってその 焦点位置近傍に設置された物体６を照明すると、つまり物体６表面が多孔フイルタ２１の孔２２配列に基づく分散した照明を受けると、その照明光によって反射光が生じる。実際には多孔フイルタ２１を通過した光束によって回折現象の回折パターンが生じ、その各回折パターンが対物レンズ５によって物体表面上に結ばれ多点状に分散照明される。この照明によって多点に分散された反射光が発生し、それが測定光として受光部８に向かう。このとき物体表面にスペックルが発生していれば、そのスペックルも反射光の一部として共に受光部８に向かって測定光となる。

図５は多孔フイルタ２１と回折パターンを説明するための図である。図Ａにおいてレンズ３からの平行光束３ｂが多孔フイルタ２１を照射すると、孔２２を通過する光束と遮断される光束となる。通過する光束は回折現象によって各孔２２毎に中心部の０次光２３と＋１次光２４ａ、−１次光２４ｂ、＋２次光２５ａ、−２次光２５ｂ・・・・となる。そして対物レンズ５を経て物体６面に向かうと、孔２２毎の０次光２３、＋１次光２４ａ、−１次光２４ｂ・・・がそれぞれ集約されて物体６面上に結像し１つの照明光となる。例えば図５Ａに示した３つの孔２２からの各０次光２３は集約されて１つの照明光２３Ａとなり、＋１次光２４ａも３つがまとめられて１つの照明光２４Ａとなる。そして−１次光２４ｂも１つにまとめられて照明光２４Ｂとなり、＋２次光２５ａも１つになって照明光２５Ａとなる。−２次光２５ｂも３つが集約されて１つの照明光２５Ｂとなる。この例では２次光までしか示していないが３次光、４次光・・・の発生する場合もあり、それらも同じようにそれぞれ集約されて物体６面上に結像し１つの照明光となる。こうして得られて照明光２３Ａ〜２５Ｂ・・・の全体で１つの回折パターンＰＴとなる。
従って物体表面はこの回折パターンＰＴを形成する各照明光２３Ａ〜２５Ｂ・・・によって分散照明されることになる。各照明光の明るさは、図５Ｂに示したように０次光２３による照明光２３Ａが最も高く、＋１次光２４ａと−１次光２４ｂによる照明光２４Ａ、２４Ｂは同じ明るさではあるが０次光よりは低く、±２次光２５ａ、２５ｂによる照明光２５Ａ、２５Ｂは１次光よりも更に低くなる。これをグラフとして表したものが図５Ｂの２６である。

回折パターンＰＴについてさらに説明する。図５Ａの例では多孔フイルタ２１の３つの孔２２を通過した各光が０次光２３〜±２次光２５ａ、ｂ・・・となり、それが対物レンズを経て照明光２３Ａ〜２５Ａ、Ｂ・・・としてまとめられ、回折パターンＰＴとなって物体６面上に結像し照明する例となっている。実際の回折パターンは多孔フイルタ２１の構成によって決定されるが、図４Ｂのフイルタ２１を例としたときの回折パターンを図５Ｃに平面図として示した。図において孔２２毎に発生した０次光２３は中心に位置し、１次光２４、２次光２５・・・がその周辺に位置する。そしてその全体で物体６上を多点状に分散して照明する。分散された照明光は図５Ｂに示したように中心部の光量が多く、周辺にいくにしたがって少なくなっていく。この分散される照明数や照明点の配置状態は、多孔フイルタ２１に設けた孔２２の大きさやその形状、配列ピッチｐなどによって決定される。また図５Ｃに示した回折パターンＰＴの照明光２３Ａ〜２５Ｂ・・・はいずれも丸型となっているが、これは前記のように図４Ｂの多孔フイルタ２１に設けた孔２２が丸型となっているためで、四角状のものとする事もできる。
このような各照明光２３Ａ〜２５Ｂ・・・が物体６を照明すると、その反射光は前記した光学系を経て受光部８に向かう。このとき反射光と物体表面の粗さ程度などの条件によってはスペックルが発生する。そのスペックルの内容は様々のものになると考えられる。例えば図６Ａに示したように０次光２３によって得られた照明光２３Ａで照明された物体６からの反射光が、図３Ａのように焦点誤差もスペックルも発生していない基本光束１３に相当する光束１３ａであったとしても、図６Ｂのように+１次光２４ａによる照明光２４Ａで照明された物体６からの反射光は、図３Ｂに示したようなスペックル２０−１を含んだ光束になってしまう事も考えられる。同様に図６Ｃのように−１次光２４ｂによって得られた照明光２４Ｂで照明された物体６からの反射光が図３Ｃに示したようなスペックル２０−２を含んだ光束になってしまうことも考えられる。また図５Ｃには示していないが３次光や４次光による照明光束にもそれぞれ独自の、または他の照明光と同じようなスペックルが発生する可能性がある。従って各照明光２３Ａ〜２５Ｂ・・・で照明された物体６からの反射光は、図６Ｄの２３ＡＲ〜２５ＢＲ・・・の様に個々に変化したものになると考えられる。しかしながら１つ１つの反射光がスペックルによってどのような形に変化したとしても、全体としては全てが受光部に向かって測定光となる。

図７は受光部８Ｐと回折パターンＰＴの関係を示した説明図である。図において受光部８Ｐは図２などで説明したように４つのフォトダイオードａ〜ｄで構成されていて、その全面に回折パターンＰＴで照明された全反射光が投影される。仮に投影された全反射光２３Ａ〜２５Ｂ・・・が図６Ａの光束１３ａと同じように焦点誤差もスペックルも発生していないとすれば、受光部８Ｐの各フォトダイオードａ〜ｄが受光する反射光数は同数なので、それぞれ同じ量の光を測定光として検出する。また図６Ｄで説明したように各反射光がそれぞれ異なる内容のスペックルを含んでいたとしても、各フォトダイオードａ〜ｄのそれぞれは必ず回折パターンによって割り当てられた数だけの反射光を受けとる。即ち、各フォトダイオードａ〜ｄのそれぞれは反射光数をフォトダイオード数で分割した数だけ受光する。従って各フォトダイオードはそれぞれ測定光を平均化された光量と見なして検出する。
この検出された信号は演算部１１に送り出されて物体表面位置に対する対物レンズ焦点位置を算出するから、対物レンズの焦点位置は回折パターンＰＴによって形成される照明光の数によって算出されることになる。つまりこれまでは受光部８に投影された１つの反射光を全測定光、例えば１３として検出し、その１つだけの検出信号で対物レンズの焦点位置を判定するようにしていた。そのため測定光１３中にスペックルが少しでも発生すれば、図３のように判定精度に大きな影響が生じていた。
しかし本発明では回折現象を利用して回折パターンＰＴを発生させ、これで物体を照明し多点状に分散した照明光２３Ａ〜２５Ｂ・・・を発生させ、その反射光を受光部８Ｐに投影して多点状の分散測定光を得るようにした。それによって対物レンズの焦点位置は分散測定光全体で求められるようになり、１つ１つの測定光中にスペックルが発生したとしても、それは１つの測定光のバランスが変化するだけとなる。従って多点に分散した測定光の検出に変化の生じることが少なくなり、あたかもスペックルが抑制され浄化されたかのようになる。これで図６で説明したような様々のスペックルが物体表面上で発生したとしても、全フォトダイオードａ〜ｄを同じ環境の基で作用させることが出来る。

図８は図２と同じように受光部８Ｐに投影された回折パターンの反射光と演算部１１の関係を示した説明図である。図においてＡは対物レンズ５の焦点位置と物体６表面位置が一致しているとき、受光部８Ｐに投影された回折パターンＰＴの反射光ＰＴ１３Ｒを示している。この反射光ＰＴ１３Ｒが受光部８Ｐで検出されると演算部１１は前記した１式を実施する。しかしその結果は「０」なので駆動制御部１２は動作しない。
これに対し図Ｂは、図２Ｂと同じように物体６表面に対して対物レンズ５の焦点位置が図１の６ａのように光源２側に位置していて、焦点誤差を起こしているときの受光部８Ｐ上に投影された回折パターンの反射光ＰＴ１５Ｒを示しており、回折パターンＰＴの反射光が、シリンドリカルレンズ９の作用を受けて右肩上がりの斜体となっている。この様な斜体ＰＴ１５Ｒパターンを受光部８Ｐが検出すると、演算部１１は（ａ＋ｃ）＜（ｂ＋ｄ）と判定して駆動制御部１２に指令を出し、対物レンズ５を移動してその位置を補正する。図８Ｃは対物レンズ５の焦点位置が図１の６ｂの様に光源２から遠ざかる側に位置していて、焦点誤差を起こしているときの受光部８Ｐ上に投影された回折パターンＰＴの反射光ＰＴ１７Ｒを示しており、図２Ｃと同じように回折パターンＰＴがシリンドリカルレンズ９によって左肩上がりの斜体になっている。受光部８Ｐがこのような左肩上がりの斜体パターンＰＴ１７Ｒを検出すると、演算部１１は（ａ＋ｃ）＞（ｂ＋ｄ）と判定して駆動制御部１２から対物レンズ５に移動指令を出し、その位置を補正する。
このように回折パターンによる多点状の分散照明光を物体上に結像させることによって、受光部８Ｐはその分散反射光を測定光として確実に検出するので、演算部１１は反射光を光束ＰＴ１３Ｒ、ＰＴ１５Ｒ、ＰＴ１７Ｒとして明瞭に区別し識別することができる。

次に多孔フイルタ２１をさらに発展させた実施例２について説明する。図９は多孔フイルタ２１に設けた孔２２のサイズと回折パターンＰＴの関係を示した説明図である。図Ａは図５Ａと同様のもので、多孔フイルタ２１に設けた１つの孔２２から０次光２３、＋と−の１次光２４ａ、ｂ、＋と−の２次光２５ａ、ｂが発生している。この０次光２３と両１次光２４間は角θ１で、１次光と２次光２５ａ、ｂ間もほぼ同じ角度となっている。このような照明光によって物体６上には図Ｂのような回折パターンＰＴが投影される。この図Ｂは図５Ｃと同じものである。これに対し図９Ｃは多孔フイルタ２１の孔２２を図Ａの孔２２より大サイズ孔２２Ｌとしたフイルタ２１Ｌである。このような大サイズ孔２２Ｌの時、０次光２３Ｌに対する１次光２４ａＬ、２４ｂＬはθ２の角度で発生する（θ２＜θ１）。そして２次光は発生しない。そのため回折パターンＰＴによる照明光は図Ｄのように配列ピッチが密となり、０次光２３Ｌ周辺が集中して照明されるようになる。そのため図９Ｂのように照明光を分散して物体上に結像させるという機能が薄れてしまう。またこのように照明光が０次光２３Ｌ周辺に集中してしまうとスペックルもそこに集中するということになり、演算部１１の判定精度に影響が生じる事も懸念される。

上記した図９Ｃ、９Ｄの説明は１つの大サイズ孔２２Ｌの時の説明となっているので、これを例えば図４Ｂのように任意ピッチｐで複数配置したものとすれば、配置数に応じて分散した照明光を例えば図１０のように得ることが出来る。この図１０は大サイズ孔フイルタ２１Ｌで得られた回折パターンＰＴの一部を示したもので、５つの分散照明光となっている。しかしこのような大サイズ孔フイルタの場合、大サイズ孔と大サイズ孔の中間部では照明光が得られず、また大サイズ孔２２Ｌ毎に集中するであろうスペックルを防ぐことが出来ない。一方、前記した図９Ａの小サイズ孔２２の場合は、物体６上では図９Ｂのように各照明光を分散した状態で得ることが出来る。しかし逆に小サイズ孔の配列ピッチによっては照明光同志が互いに接近しすぎ、連続した１つの大サイズ照明光のようになってしまう場合もある。このような場合、多点に分散したにもかかわらず１つの大サイズ測定光を測定するのと同じ結果になってしまうから、照明光同志が互いに接近しすぎるのを防ぐ様にしなければならない。しかし小サイズ孔２２の配列ピッチを大きくするなどの処置をしたとしてもピッチを大きくした分だけ受光部８が受ける全体光量が低下してしまうという弊害が生じる。
このように多孔フイルタ２１の孔２２サイズと配列ピッチは照明光の生成と測定光の検出結果に重要な役割を持つので、対物レンズの焦点距離により変化させることが望ましい。

図１１は上記問題を解決する多孔フイルタ２１について説明するものである。図Ａは図４の測定光学系１中に大サイズ孔２２Ｌの多孔フイルタ２１Ｌと小サイズ孔２２の多孔フイルタ２１を着脱自在に設置したときの例を示す説明図である。図においてレンズ３からの平行光束３ｂは孔同士が重ねあうようにして対になって設置される多孔フイルタ２１Ｌ、２１の内、まず大サイズ孔フイルタ２１Ｌを照射する。この大サイズ孔フイルタ２１Ｌは図９Ｃで説明したものと同じであるが、そこには大サイズの孔２２Ｌが任意数設けられている。この孔２２Ｌを通過するとき図９Ｃで説明したような回折現象を起こし、発生した光束は次の小サイズ孔フイルタ２１に向かい遮断されるものと孔２２を通過するものとになる。小サイズ孔２２を通過した光束は図９Ａで説明した回折現象を起こし回折パターンを発生する。この回折パターンは小サイズ孔フイルタ２１だけによる回折現象に加えて前記した大サイズ孔フイルタ２１Ｌの回折現象の影響も受ける。そのため全体としては小サイズ孔フイルタ２１だけによる多点状分散照明光よりもそれぞれが太め状の照明光となる。
図１１Ａではビームスプリッタ４や対物レンズ５は省略してあるが、小サイズ孔フイルタ２１からの０次光２３、＋と−の１次光２４ａ、ｂと＋と−の２次光２５ａ、ｂ・・・が発生している状態を示している。
図１１Ｂは大サイズ孔フイルタ２１Ｌ側から物体６方向を見たときの例を拡大して示したもので、大サイズ孔２２Ｌの内部に小サイズ孔２２を幾つか見ることが出来る。この小サイズ孔２２を通過したそれぞれの光束が回折現象を起こし、前記した太め状回折パターンを発生して物体６を照明する。
このように２種の孔サイズを持った多孔フイルタ２１、２１Ｌを光学系１中に設置すれば、まず大サイズ孔２２Ｌで光束３ｂが部分的にカットされて制限され、孔２２Ｌを通過した光束だけが小サイズ孔２２に向かう。そして小サイズ孔２２を通過することで再度分散化されて物体上を照明する光となる。それによって物体上で、或いは受光部８Ｐ上で大サイズ孔２２Ｌと小サイズ孔２２の機能が発揮され、小サイズ孔２２同志が接近しすぎて連続した１つの大きな反射光、或いは測定光となるのを防止することが出来る。また両多孔フイルタ２１、２１Ｌはその孔サイズを種々変換したものを複数種用意しておき、それを光学系１中に選択して設置することによって、例えば対物レンズ５の焦点距離によってそれらを使い分けることができ、最適の照明光を求めることが出来る。同様に図１１Ａに示した両多孔フイルタ２１、２１Ｌ間のスペースＷを加減することで照明光などの調整を行うことが出来る。
上記した多孔フイルタ２１の光学系１中に着脱する機構や、スペースＷを加減する機構は、ここでは開示しないが任意の公知手段を採用することが出来る。また大サイズ孔フイルタ２１Ｌの孔２２Ｌの大きさを１〜１．５ｍｍ、小サイズ孔フイルタ２１の孔２２の大きさを０．３〜０．５ｍｍとし、両フイルタ間のスペースを０〜１ｍｍとして光学系中に設置し、物体６を照明したとき良好な結果が得られた。

以上、実施例１、２に基づいて説明してきたが、測定光学系１は最も単純な形を例として示してあり、用途に応じて種々変換できることは明らかである。また受光部８Ｐは４分割だけでなく、２分割など測定に要求される精度に応じて選択することが出来る。この場合演算部１０で行われる前記した１式の演算は、分割数に応じたものに変更する。

従来の一般的な測定装置の光学系を示した説明図。 受光部に投影された像と演算部の関係を示した説明図。 スペックルと受光部上に投影された測定光を説明する図。 本発明の実施例１を説明する図。 多孔フイルタと回折パターンを説明する図。 照明光とスペックルの発生状態を説明する図。 受光部と回折パターンを説明する図。 受光部に投影された回折パターンと演算部の関係を示した説明図。 実施例２を説明するための多孔フイルタの孔サイズと回折パターンについて説明する図。 大サイズ孔フイルタによる回折パターンの説明図。 ２つの多孔フイルタを説明する図。

符号の説明

１・・・測定光学系 ２・・・半導体レーザ光源 ３・・・レンズ ４・・・ビームスプリッタ ５・・・対物レンズ ６・・・物体 ７・・・結像レンズ ８・・・受光部 ９・・・シリンドリカルレンズ １０・・・表示部 １１・・・演算部 １２・・・駆動制御部 １３・・・測定光束 １４・・・交点 １５・・・測定光束 １７・・・測定光束 １９・・・ライン ２０・・・スペックル ２１・・・多孔フイルタ ２２・・・孔 ２３・・・０次光 ２４・・・１次光 ２５・・・２次光

Claims (3)

1. 半導体レーザ光源と、この光源からの光束を受けて平行光束とするレンズと、このレンズからの平行光束を受けて物体の表面位置近傍に焦点を結ぶ対物レンズと、レンズと対物レンズ間の平行光束中に設置され、対物レンズが照明した物体からの反射光を受けて多分割フォトダイオードで構成した受光部側に反射するビームスプリッタと、このビームスプリッタからの反射光束をシリンドリカルレンズを介して受け、前記受光部に測定光として投影する結像レンズと、で測定光学系を構成し、受光部に投影された測定光の形状に応じて対物レンズを光軸方向に上下動し、物体表面位置に対する対物レンズの焦点位置を求めるようにしたオートフォーカス装置において、レンズとビームスプリッタ間の平行光束中に複数の孔を規則性を持って配置した多孔フイルタを設置し、この多孔フイルタを通過し回折現象で分散された夫々の光束を、対物レンズでその焦点位置近傍に設置される物体表面上に多点状にして結像し、その結像位置からの多点状反射光を受光部に向かわせ、この多点状反射光の集合を１つの測定光束として対物レンズの焦点位置を求めるようにしたことを特徴とするオートフォーカス装置。
   
2. 大サイズ孔を複数配置した大サイズ孔フイルタと、小サイズ孔を複数配置した小サイズ 孔フイルタを、孔同士が重ね合うよう対にして配置し、両孔を通過した光束が物体側に向 かうようにした多孔フイルタとした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。
3. 対物レンズの焦点距離に応じて孔のサイズ、配列ピッチを変えた多孔フイルタとした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。