JP4566580B2 - measuring device - Google Patents
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Description
本発明は測定装置に関するもので、物体表面形状を光学系を用いて観察するとき、物体表面でのピント状態を確認し、正確な焦点合わせが行えるようにしたものである。 The present invention relates to a measuring apparatus, and when an object surface shape is observed using an optical system, the focus state on the object surface is confirmed and accurate focusing can be performed.
光源からの光束で物体表面を照射し、その反射光束を用いて表面形状を観察する測定装置は各種使用されていて、自動的に光学系の焦点が合うようにしたオートフォーカス機能を備えた装置も知られている。しかし観察する物体の表面形状が平滑でなく微細な凸凹があるような場合、また室内照明光の影響を受けやすい場所で測定するような場合、さらには測定光学系の光源にタングステンランプなどを使用して照明ムラが発生しやすい場合には、物体表面での焦点合わせが複雑となり精度にバラツキが生じる可能性が高い。又、マニュアル操作の場合には焦点合わせの精度や測定時間に個人差が生じる場合も多い。
このような問題を解決するため、測定光学系の光源にレーザを使用し、その安定した光源からの光束で観察する物体の表面を照射し、その反射光をシリンドリカルレンズを介して受光部に結ばせるようにしたオートフォーカス式の光学系が提案されている。この光学系を図１を用いて説明する。
Various measuring devices that illuminate the surface of an object with a light beam from a light source and observe the surface shape using the reflected light beam are equipped with an autofocus function that automatically focuses the optical system. Is also known. However, when the surface shape of the object to be observed is not smooth and has fine irregularities, or when measuring in a place that is susceptible to indoor illumination light, a tungsten lamp is used as the light source for the measurement optical system. If illumination unevenness is likely to occur, focusing on the object surface is complicated, and there is a high possibility of variations in accuracy. Further, in the case of manual operation, individual differences often occur in focusing accuracy and measurement time.
In order to solve such problems, a laser is used as the light source of the measurement optical system, the surface of the object to be observed is irradiated with a light beam from the stable light source, and the reflected light is connected to the light receiving unit through a cylindrical lens. There has been proposed an auto-focus type optical system. This optical system will be described with reference to FIG.
図１Ａにおいて１は測定光学系で、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の観察面上を照射する。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に結像する。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ＣＣＤなどで構成され、その出力は演算部１０に送られてその結果が駆動制御部１１に伝えられ、対物レンズ５を図の矢印で示した光軸方向に移動する。
今、測定光学系１内の対物レンズ５焦点位置近傍に物体６表面が位置しているとすれば、物体６表面からの反射光束は図１Ｂのように円形状になって受光部８の中心部に集光する。図ではこの中心部に集光した円形光束を１２として示してある。このような状態にあるとき演算部１０は、例えば「０」を出力して駆動制御部１１に送り出す。しかし駆動制御部１１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。
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１Ａの６ａ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８に投影される物体表面からの反射光束は、シリンドリカルレンズ９の作用によって図１Ｃの様な右肩上がりの楕円状、若しくは線形状光束１３となる。そのため受光部８からの出力を受けた演算部１０は、例えば「＋」を算出し駆動制御部１１に伝える。すると駆動制御部１１は対物レンズ５を光軸上で光源２から離れる方向に移動する。この移動に伴って受光部８に投影される楕円状光束１３は徐々に図１Ｂの円形状光束１２に近づき、最終的には光束１２となって駆動制御部１１からの信号も停止する。
また物体６の観察面位置に対して対物レンズ５の焦点位置が図１Ａの６ｂのように光源側に位置して焦点誤差を起こす場合もある。このようなとき受光部８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１Ｄの様な左肩上がりの楕円状、若しくは線形状光束１４となる。そのため受光部８からの出力を受けた演算部１０は、例えば「−」を算出し駆動制御部１１に伝える。すると駆動制御部１２は対物レンズ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８に投影される楕円状光束１４は徐々に図１Ｂの円形状光束１２状態に近づき、最終的には光束１２となって駆動制御部１２からの信号も停止する。
In FIG. 1A, reference numeral 1 denotes a measurement optical system. Light from the semiconductor laser light source 2 is converted into a parallel light beam by a lens 3 and is irradiated onto an observation surface of an object 6 installed near the focal position by an objective lens 5 through a beam splitter 4. To do. If the observation surface on the surface of the object 6 is in the vicinity of the focal position of the objective lens 5, the reflected light from the observation surface is directed to the beam splitter 4, where it is inverted 90 degrees and condensed by the imaging lens 7 and connected to the light receiving unit 8. Image. Reference numeral 9 denotes two cylindrical lenses in the X and Y directions installed in the optical path. The light receiving unit 8 is constituted by a CCD, for example, and its output is sent to the calculation unit 10 and the result is transmitted to the drive control unit 11 to move the objective lens 5 in the optical axis direction indicated by the arrow in the figure.
Now, assuming that the surface of the object 6 is located near the focal position of the objective lens 5 in the measurement optical system 1, the reflected light beam from the surface of the object 6 becomes circular as shown in FIG. Focus on the part. In the drawing, a circular light beam condensed at the center is shown as 12. In such a state, the calculation unit 10 outputs “0”, for example, and sends it to the drive control unit 11. However, the drive control unit 11 does not operate because of the “0” signal, and the objective lens 5 remains stationary and does not move. Thereby, the focal position of the objective lens 5 and the surface position of the object 6 coincide with each other, and the distance between them is recognized as “0”.
In some cases, the focal position of the objective lens 5 with respect to the observation surface position of the object 6 is located in a direction away from the light source 2 as shown in 6a of FIG. At that time, the reflected light beam from the object surface projected onto the light receiving unit 8 becomes an elliptical or linear light beam 13 rising upward as shown in FIG. 1C by the action of the cylindrical lens 9. Therefore, the arithmetic unit 10 that has received the output from the light receiving unit 8 calculates, for example, “+” and transmits it to the drive control unit 11. Then, the drive control unit 11 moves the objective lens 5 in the direction away from the light source 2 on the optical axis. Along with this movement, the elliptical light beam 13 projected onto the light receiving unit 8 gradually approaches the circular light beam 12 of FIG. 1B, and finally becomes the light beam 12 and the signal from the drive control unit 11 is also stopped.
In some cases, the focus position of the objective lens 5 with respect to the observation surface position of the object 6 is positioned on the light source side as shown in 6b in FIG. In such a case, the reflected light beam projected onto the light receiving unit 8 becomes an elliptical or linear light beam 14 that rises to the left as shown in FIG. 1D due to the action of the cylindrical lens 9. For this reason, the arithmetic unit 10 that has received the output from the light receiving unit 8 calculates, for example, “−” and transmits it to the drive control unit 11. Then, the drive control unit 12 moves the objective lens 5 to the light source side on the optical axis. With this movement, the elliptical light beam 14 projected onto the light receiving unit 8 gradually approaches the state of the circular light beam 12 shown in FIG. 1B, and finally becomes the light beam 12 and the signal from the drive control unit 12 is also stopped.
上記のようにシリンドリカルレンズ９を導入した光学系は、物体が６ａ〜６ｂの範囲内にあれば受光部８に結像する反射光束の形状からピント状態を判断できるという優れた利点をもたらす。これは観察する物体の表面形状を直接表示部に表示し、その画像の鮮明度合いからピント状態を判断するというこれ迄の直接画像観察方式から、受光部８に投影される反射光束１２、１３、１４を物体の表面画像に変わる間接的な像として観察するという反射光観察方式に移行することになる。具体的には受光部８に投影される反射光束の形状が、円形１２か楕円状１３、１４かによってピント状態を判断することになるが、物体表面形状の複雑さなどに煩わされずにピント合わせの作業を実施することが出来る。
しかしながらレーザを光源として使用すれば、レーザ光自身が持つ光の性質や観察する物体の表面粗さ程度やその角度などによってスペックル現象が発生する。スペックル現象は良く知られているように、光学系焦点位置と物体表面間の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６位置が一致してくるほどその現象が発生しやすいという性質を持っている。またレーザ光源のスポットを絞って照射面積を小さくすればするほど大きなスペックルが発生しやすくなるというやっかいな性質をも持っている。そのためスペックル現象が発生してしまうと、物体表面からの反射光束が受光部８上に投影されたとき、光束１２、１３、１４として明瞭に区別することが困難になる場合が生じる。そのような場合には測定結果が影響を受けてしまい、正確なピント合わせ作業を実施する事が出来なくなる。
さらにこの図１のような例の場合、焦点誤差を救済できる範囲は前記のように図１Ｂから図１Ｃ、または図１Ｂから図１Ｄまでの範囲に限定される。即ち、図１Ａの物体６位置が６ａから６ｂの範囲内にあれば、シリンドリカルレンズ９の作用によってピント位置を合わせることが出来る。しかし物体６の位置が６ａ〜６ｂの範囲を超えるような場合には、シリンドリカルレンズ９の作用をもってしても救済することは出来ない。そのため位置６ａ〜６ｂの測定可能範囲を超えるような物体を扱う場合、また高さ方向の寸法が多様な各種の物体を測定するような場合には対処することが出来ない。尚、図Ｂ、Ｃ、Ｄにおいて受光部８内に示した十字の線は目安用の目印である。
However, when a laser is used as a light source, a speckle phenomenon occurs depending on the nature of the light possessed by the laser light itself, the degree of surface roughness of the object to be observed, and its angle. As is well known, the speckle phenomenon occurs as the distance between the focal point of the optical system and the object surface decreases, that is, as the focal position of the objective lens 5 and the position of the object surface 6 coincide. It is easy to do. In addition, there is a troublesome property that as the spot of the laser light source is narrowed to reduce the irradiation area, larger speckles are more likely to occur. Therefore, when the speckle phenomenon occurs, it may be difficult to clearly distinguish the reflected light fluxes 12, 13, and 14 when the reflected light flux from the object surface is projected onto the light receiving unit 8. In such a case, the measurement result is affected, and accurate focusing work cannot be performed.
Further, in the case of the example as shown in FIG. 1, the range in which the focus error can be relieved is limited to the range from FIGS. 1B to 1C or FIGS. 1B to 1D as described above. That is, if the position of the object 6 in FIG. 1A is within the range of 6a to 6b, the focus position can be adjusted by the action of the cylindrical lens 9. However, when the position of the object 6 exceeds the range of 6a to 6b, it cannot be remedied even by the action of the cylindrical lens 9. Therefore, when dealing with an object that exceeds the measurable range of the positions 6a to 6b, or when measuring various objects with various dimensions in the height direction, it cannot be dealt with. In FIGS. B, C, and D, the crossed lines shown in the light receiving unit 8 are reference marks.
本発明は上記問題を解決した測定装置を提供することを目的とする。即ちレーザ光源を使用したとしても、特殊な手段や光学系を設置することなしにスペックル現象の影響を受けにくい測定装置を得ることである。又オートフォーカス式としたときの測定可能範囲領域を拡げ、各種の多様な物体を測定できるようにすることである。さらには測定結果に個人差が生じるのを排除し、安定した正確な観察測定が安価な手段によって達成できるようにすることである。 It is an object of the present invention to provide a measuring apparatus that solves the above problems. In other words, even if a laser light source is used, a measuring apparatus that is not easily affected by the speckle phenomenon is obtained without installing special means or an optical system. Another object is to expand the measurable range when the autofocus method is used, and to measure various objects. Furthermore, it is intended to eliminate individual differences in measurement results and to achieve stable and accurate observation measurement by inexpensive means.
上記目的を達成するため本発明は、光源からの光を平行光束とするレンズと、 該平行光束とされた光源からの光により焦点位置近傍に設置される物体表面を照射する対物レンズと、前記レンズと対物レンズとの間に設置され、光源からの光を対物レンズ方向に向かわせると共に、前記物体の観察面からの反射光を前記レンズと対物レンズの光軸に対して９０度曲げるビームスプリッタと、該ビームスプリッタからの反射光を集光して受光部上に投影する結像レンズとからなる測定光学系と、前記受光部からの出力を受けて物体表面を表示する表示部と、前記測定光学系の平行光束中に設置されて前記光源からの光を通過させる孔を設けたピント位置確認用マスク板とからなり、
該ピント位置確認用マスク板における前記光源からの光を通過させる孔を通過した光束が物体表面で反射され、前記ビームスプリッタで前記受光部に投影されて表示部に表示されたマスク像を指標とし、前記物体表面のピント状態を確認するようにした測定装置において、
前記ピント位置確認用マスク板は光学系中心光軸の光束が通過する中心孔と軸外光束が通過する参照孔とが設けられて前記レンズとビームスプリッタとの間に設置され、表示部に表示された前記中心孔と参照孔の受光部出力画像の距離により、前記物体表面のピント状態を確認す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、光源からの光を平行光束とするレンズと、該平行光束とされた光源からの光により焦点位置近傍に設置される物体表面を照射する対物レンズと、前記レンズと対物レンズとの間に設置され、光源からの光を対物レンズ方向に向かわせると共に、前記物体の観察面からの反射光を前記レンズと対物レンズの光軸に対して９０度曲げるビームスプリッタと、該ビームスプリッタからの反射光を集光して受光部上に投影する結像レンズとからなる測定光学系と、前記測定光学系の平行光束中に設置されて前記光源からの光を通過させる孔を設けたピント位置確認用マスク板とからなり、
該ピント位置確認用マスク板における前記光源からの光を通過させる孔を通過した光束が物体表面で反射され、前記ビームスプリッタで前記受光部に投影されて生じたマスク像を指標として前記物体表面のピント状態を確認するようにした測定装置において、
前記ピント位置確認用マスク板は、光学系中心光軸の光束が通過する中心孔と軸外光束が通過する参照孔とが設けられて前記ビームスプリッタと対物レンズとの間に設置され、前記中心孔と参照孔とを通過して物体表面で反射した光束によるマスク像の光量を指標とし、前記物体表面のピント状態を確認するようにしたことを特徴とする。In order to achieve the above object, the present invention provides a lens that converts light from a light source into a parallel light beam, an objective lens that irradiates an object surface that is installed near the focal position with the light from the light source that has been converted into the parallel light beam , A beam which is installed between the lens and the objective lens and directs the light from the light source toward the objective lens and bends the reflected light from the observation surface of the object by 90 degrees with respect to the optical axis of the lens and the objective lens. A measuring optical system comprising a splitter, and an imaging lens for condensing the reflected light from the beam splitter and projecting it onto the light receiving unit; a display unit for receiving the output from the light receiving unit and displaying the object surface; consists of a focus check mask plate provided with holes for passing the light from the light source is installed in the parallel beam of the measuring optical system,
The light beam that has passed through the hole for allowing the light from the light source to pass through the focus position confirmation mask plate is reflected by the object surface, and is projected onto the light receiving unit by the beam splitter and displayed on the display unit as an index. , In a measuring apparatus adapted to confirm the focus state of the object surface,
The focus position confirmation mask plate is provided with a center hole through which the light beam of the central optical axis of the optical system passes and a reference hole through which the off-axis light beam passes, and is installed between the lens and the beam splitter and displayed on the display unit. The focus state of the object surface is confirmed based on the distance between the center hole and the light receiving portion output image of the reference hole .
By the invention of claim 2, a lens for a parallel beam of light from a light source, an objective lens for irradiating the object surface to be placed in the vicinity of the focal position by the light from a light source is a flat Yukimitsutaba, wherein A beam splitter, which is installed between the lens and the objective lens, directs the light from the light source toward the objective lens and bends the reflected light from the observation surface of the object by 90 degrees with respect to the optical axis of the lens and the objective lens. When the measurement optical system consisting of an image forming lens for projecting the reflected light condensed by the light receiving unit from the beam splitter, the light from the measuring optical system the light source is installed in the parallel beam passing It consists of a focus position confirmation mask plate with holes to be
The light beam that has passed through the hole for allowing the light from the light source to pass through the focus position confirmation mask plate is reflected by the object surface, and is projected onto the light receiving unit by the beam splitter. In a measuring device that checks the focus state,
The focus position confirmation mask plate is provided between the beam splitter and the objective lens with a center hole through which the light beam of the optical axis of the optical system passes and a reference hole through which the off-axis light beam passes. The focus state of the object surface is confirmed by using , as an index, the amount of light of the mask image by the light beam that has passed through the hole and the reference hole and reflected from the object surface.
本発明は、測定光学系の対物レンズ焦点位置近傍に設置される物体表面を光源からの光束で照射し、その反射光束で観察する時、中心孔と参照孔を持ったピント位置確認用マスク板を光学系の平行光束中におけるレンズとビームスプリッタとの間、またはビームスプリッタと対物レンズとの間に設置し、このマスク板に設けた中心孔と参照孔の通過光束による２つのマスク像を物体表面を介して受光部に投影する。そして投影されたマスク像をチェック用の指標として表示部に表示するか、受光部で検出した光量を比較し、対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離として認識してピント合わせをするようにしたことを特徴としている。
すなわち中心孔と参照孔とを通過して物体表面で反射した光束による中心孔と参照孔のマスク像は、物体の観察面が対物レンズの焦点位置近傍に有れば互いに重なる。一方、物体の観察面が対物レンズの焦点位置近傍に無い場合、参照孔を通過した光束による物体の観察面からの反射光のマスク像は、ピン ト位置確認用マスク板がレンズとビームスプリッタとの間にあると中心孔を通過した光束による物体の観察面からの反射光のマスク像と重ならず、ビームスプリッタと対物レンズとの間にあると参照孔からの反射光がマスクでけられて光量が減少する。そのため、中心孔と参照孔の像の距離、または光量がピントのはずれ具合を示している。
そのため、受光部で検出して表示部に表示された２つの指標の位置関係、または受光部で検出した光量を確認することでピント状態を把握することができる。それも物体表面からの反射光束が円形状か楕円状かという１つの指標に対して行われる従来判定作業を、２つの指標の位置関係、または光量を比較するという判定作業に置き換えることが出来る。そしてこの判定のための比較は両指標が同じ位置上で重なっているか、それとも分離しているか、または光量が極大かそれより少ないかという単純で明瞭なものであるから、判定作業に個人差が生じる事を防ぐことが出来、正確なピント合わせを行うことが出来る。また仮に中心孔と参照孔によるマスク像にスペックルが発生したとしても、マスク像は照射面積が大きいから、その影響を大幅に減少することが出来る。
さらに前記のようにマスク像の位置確認、または光量によってピント状態を把握するようにしたから、オートフォーカス式としたときも物体位置が６ａ〜６ｂのような測定可能範囲の制約は受けず、拡い領域とすることが出来、各種の多様な物体を測定することが出来る。また測定を行う周囲の環境が室内照明による影響を受けやすい状態にあったとしても、測定用光源としてタングステンランプのように照明ムラが発生しやすいものを使用したとしてもマスク像自身が消滅することはなく、特に中心孔からの光束が投影される位置は常に不変であり、指標としての位置を明確に確認することが出来る。そして更に、このピント位置確認用のマスク板は薄板に小孔を設けるだけでよく、全体として安価に構成することが出来る。The present invention provides a focus position confirmation mask plate having a center hole and a reference hole when illuminating an object surface placed near the focal position of an objective lens of a measurement optical system with a light beam from a light source and observing with the reflected light beam. between the lens and the beam splitter definitive in parallel beam optics or installed between the beam splitter and the objective lens, the two mask images by passing light flux of the central hole and a reference hole provided in the mask plate, Projecting to the light receiving unit through the object surface. Then, the projected mask image is displayed on the display unit as a check index, or the amount of light detected by the light receiving unit is compared , and it is recognized as the distance between the objective lens focal point position and the object surface to focus. that it is characterized by.
That is, the mask images of the center hole and the reference hole by the light flux that has passed through the center hole and the reference hole and reflected from the object surface overlap each other if the observation surface of the object is in the vicinity of the focal position of the objective lens. On the other hand, if the viewing surface of the object is not in the vicinity of the focal point of the objective lens, the mask image of the reflected light from the observation surface of the object by light beams passing through the reference hole pin preparative position confirming mask plate and the lens and the beam splitter Between the beam splitter and the objective lens, the reflected light from the reference hole is blocked by the mask. The amount of light decreases. For this reason, the distance between the image of the center hole and the reference hole, or the amount of light indicates the degree of defocusing.
Therefore , the focus state can be grasped by checking the positional relationship between the two indexes detected by the light receiving unit and displayed on the display unit , or the light quantity detected by the light receiving unit . It is also possible to replace the conventional determination work performed for one index of whether the reflected light beam from the object surface is circular or elliptical with the determination work of comparing the positional relationship between two indices or the amount of light . And since the comparison for this judgment is simple and clear whether the two indicators overlap or are separated on the same position , or the light quantity is maximal or less, there are individual differences in the judgment work. It is possible to prevent this from happening and to perform accurate focusing. Even if speckles are generated in the mask image by the center hole and the reference hole, the influence of the mask image can be greatly reduced because the mask image has a large irradiation area.
Furthermore, since the focus state is grasped by confirming the position of the mask image or the amount of light as described above, the object position is not limited by the measurable range such as 6a to 6b even when the autofocus method is used. It is possible to measure various kinds of objects. Also, even if the surrounding environment where the measurement is performed is easily affected by room lighting, the mask image itself will disappear even if a measurement light source such as a tungsten lamp that tends to cause uneven illumination is used. In particular, the position where the light beam from the central hole is projected is always unchanged, and the position as an index can be clearly confirmed. In addition, the mask plate for confirming the focus position only needs to be provided with a small hole in the thin plate, and can be configured inexpensively as a whole.
以下に本発明に係わる測定装置について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a measurement apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図２は実施例１を説明するための光学系概略図である。図２Ａにおいて１は図１と同様の測定光学系で、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の観察面上を照射する。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に投影される。受光部８はＣＣＤなどで構成され、その出力は表示部１５に表示される。１６はピント位置確認用マスク板で、光学系１中のレンズ３と対物レンズ５間の平行光束中に、この例ではビームスプリッタ４の上段に設置される。マスク板１６には図２Ｂの平面図のように光学系１の中心光軸１７が通過する中心孔１８と、距離Ｒだけ隔てられた位置に軸外光束が通過する参照孔１９が設けられる。図２Ｂでは中心孔１８と参照孔１９を丸型と角型としてあるが、その孔の形状と大きさは任意に定められる。
図３は照明光学系３０を前記測定光学系中に設置したときの例で、照明用光源３１からの光束はレンズ３２を経て測定光学系１の中心光軸１７部に設置されたハーフミラー３３に向かう。このミラー３３は図２Ａでは省略されているが、常時光学系１中に設置されていて、照明用光源３１からの光束を反射し、測定用光源２からの光束を通過させ、マスク板１６の中心孔１８からビームスプリッタ４方向に向かわせる。ビームスプリッタ４を通過した照明光束は、対物レンズ５を経て物体６面を照明する。そしてそこで反射した光は測定光学系１で説明したようにビームスプリッタ４に戻り、９０度反転して結像レンズ７から受光部８に達する。この受光部８で受けた像を表示部１５に表示すれば、物体６の表面形状を観察することが出来る。
FIG. 2 is a schematic diagram of an optical system for explaining the first embodiment. In FIG. 2A, reference numeral 1 denotes a measurement optical system similar to that in FIG. 1, and the light from the semiconductor laser light source 2 is converted into a parallel light beam by the lens 3. Irradiate the observation surface. If the observation surface on the surface of the object 6 is in the vicinity of the focal position of the objective lens 5, the reflected light from the observation surface is directed to the beam splitter 4, where it is inverted 90 degrees and condensed by the imaging lens 7 and projected onto the light receiving unit 8. Is done. The light receiving unit 8 is composed of a CCD or the like, and its output is displayed on the display unit 15. Reference numeral 16 denotes a focus position confirmation mask plate, which is disposed in the upper part of the beam splitter 4 in this example in the parallel light flux between the lens 3 and the objective lens 5 in the optical system 1. As shown in the plan view of FIG. 2B, the mask plate 16 is provided with a center hole 18 through which the central optical axis 17 of the optical system 1 passes and a reference hole 19 through which an off-axis light beam passes at a position separated by a distance R. Although the center hole 18 and the reference hole 19 are round and square in FIG. 2B, the shape and size of the holes are arbitrarily determined.
FIG. 3 shows an example when the illumination optical system 30 is installed in the measurement optical system. The light beam from the illumination light source 31 passes through the lens 32 and is a half mirror 33 installed at the central optical axis 17 of the measurement optical system 1. Head for. Although this mirror 33 is omitted in FIG. 2A, it is always installed in the optical system 1, reflects the light beam from the illumination light source 31, passes the light beam from the measurement light source 2, and passes through the mask plate 16. The center hole 18 is directed toward the beam splitter 4. The illumination light beam that has passed through the beam splitter 4 illuminates the surface of the object 6 through the objective lens 5. Then, the light reflected there returns to the beam splitter 4 as described in the measurement optical system 1, and is inverted 90 degrees to reach the light receiving unit 8 from the imaging lens 7. If the image received by the light receiving unit 8 is displayed on the display unit 15, the surface shape of the object 6 can be observed.
次に図４、図５、図６として示した説明用光学系概略図を用いて測定光学系１によるピント合わせの動作について説明する。図４は図２Ａと同様に対物レンズ５の焦点位置と物体６の表面位置が一致しているときの光学系１を示している。この図４では省略されているが、図２Ａに示した光源２からの光束はレンズ３によって平行光束となり、図２Ａの場合と同様図４Ａのピント位置確認用マスク板１６に向かう。そして中心光軸１７に沿って進んだ光束はその中心孔１８を通過し、ビームスプリッタ４の反射面２０を通過する。そしてさらに対物レンズ５を経てその焦点位置近傍に設置されている物体６表面上に結像する。図４ではこの結像した中心光軸１７上の位置を２１として示してある。物体６で反射した光は、対物レンズ５を経てビームスプリッタ４の反射面２０で９０度反転して結像レンズ７を通過し受光部８に投影される。図４ではこの受光部８に投影された中心光軸１７の位置を２２として示してある。そして図４Ｂでは、この受光部８に投影された中心光軸１７上の光束を２３として示してあり、その形状はマスク板１６の中心孔１８によって丸型になっている。
一方、レンズ３によって平行光束となった光束は、参照孔１９をも通過する。この参照孔１９を通過した軸外光束２４は、ビームスプリッタ反射面２０上の位置２０ａを通過する。そして対物レンズ５によって集束され、物体６上の中心光軸１７が結像した位置と同じ位置２１に結像する。その後、物体６に入射した角度と同じ角度θで反射して対物レンズ５からビームスプリッタ４に向かい、その反射面２０上の位置２０ｂで方向を変える。そして結像レンズ７を経て受光部８上の中心光軸１７が結像した位置と同じ位置２２に投影される。図４Ｂではこの受光部８に投影された軸外光束２４の像を２５として示してあり、その形状はマスク板１６の参照孔１９と同じ角型となっている。
以上のように、光源２からの光束はマスク板１６の中心孔１８と参照孔１９を通過し、その光束１７、２４が物体６上で反射され、それがマスク像２３、２５となって受光部８に投影される。この受光部８に図２Ａと同様に表示部１５を接続しておけば２つのマスク像２３、２５が映し出される。今の場合、対物レンズ５の焦点位置と物体６の観察面位置は一致しているから、２つのマスク像２３、２５は中心光軸１７位置で重なって表示され図４Ｂのようになる。この表示された丸型２３と角型２５のマスク像を指標としてその位置関係を確認し、両者が重なっていれば物体６に対する対物レンズ５の焦点位置が一致していると判断する。Next, the focusing operation by the measurement optical system 1 will be described using the explanatory optical system schematic diagrams shown in FIGS. 4, 5, and 6. 4 shows the optical system 1 when the focal position of the objective lens 5 and the surface position of the object 6 coincide with each other as in FIG. 2A. Although omitted in FIG. 4, the light beam from the light source 2 shown in FIG. 2A is converted into a parallel light beam by the lens 3 and goes to the focus position confirmation mask plate 16 in FIG. 4A as in FIG . 2A . Then, the light beam traveling along the central optical axis 17 passes through the central hole 18 and passes through the reflecting surface 20 of the beam splitter 4. Further, an image is formed on the surface of the object 6 installed near the focal position through the objective lens 5. In FIG. 4 , the imaged position on the central optical axis 17 is indicated as 21. The light reflected by the object 6 is inverted 90 degrees by the reflecting surface 20 of the beam splitter 4 through the objective lens 5, passes through the imaging lens 7, and is projected onto the light receiving unit 8. In FIG. 4 , the position of the central optical axis 17 projected on the light receiving unit 8 is shown as 22. In FIG. 4B, the light beam on the central optical axis 17 projected onto the light receiving unit 8 is shown as 23, and the shape thereof is rounded by the central hole 18 of the mask plate 16.
On the other hand, the light beam converted into a parallel light beam by the lens 3 also passes through the reference hole 19. The off-axis light beam 24 that has passed through the reference hole 19 passes through a position 20 a on the beam splitter reflection surface 20. Then, the light is focused by the objective lens 5 and formed at the same position 21 as the position where the central optical axis 17 on the object 6 is formed. After that, the light is reflected at the same angle θ as the angle incident on the object 6, travels from the objective lens 5 toward the beam splitter 4, and changes its direction at a position 20 b on the reflection surface 20. Then, it passes through the imaging lens 7 and is projected onto the same position 22 as the position where the central optical axis 17 on the light receiving portion 8 is imaged. In FIG. 4B, an image of the off-axis light beam 24 projected on the light receiving unit 8 is shown as 25, and the shape thereof is the same square shape as the reference hole 19 of the mask plate 16.
As described above, the light flux from the light source 2 passes through the center hole 18 and the reference hole 19 of the mask plate 16, and the light fluxes 17 and 24 are reflected on the object 6 to receive the mask images 23 and 25. Projected on the unit 8. If the display unit 15 is connected to the light receiving unit 8 as in FIG. 2A, two mask images 23 and 25 are displayed. In this case, since the focal position of the objective lens 5 and the observation surface position of the object 6 coincide with each other, the two mask images 23 and 25 are overlapped and displayed at the position of the central optical axis 17 as shown in FIG. 4B. The positional relationship is confirmed using the displayed mask images of the round shape 23 and the square shape 25 as indices, and if the two overlap each other, it is determined that the focal position of the objective lens 5 with respect to the object 6 matches.
上記のようにしてピント合わせ作業が終了すると、図３の照明用光源３１を点灯する。するとその照明用光束は、前記のようにして物体６を照明し、その反射光を受光部８から表示部１５に映し出す。この映し出された像はピントの合った鮮明な画像として観察することが出来る。この照明光を与えて物体６の表面を観察するときは、光学系中に設置したピント位置確認用マスク板１６を取り外してから物体６を照明するようにする事もできる。図ではこの着脱手段は省略してあるが、ピント位置を確認するためマスク板１６を光学系内に設置したときは、中心孔１８と中心光軸１７とが一致するよう準備しなければならない。そしてこのマスク板１６を光学系１中から取り外すときに、同時に照明用光学系のハーフミラー３３を光学系内に挿入するようにすれば、測定光学系１による指標の明るさを向上することが出来る。
尚、マスク板１６を光学系１中に設置してピント合わせの作業を行うとき、物体６表面上でスペックル現象が発生する可能性がある。しかしこのマスク板１６に設けた中心孔１８と参照孔１９によって形成される物体表面上のマスク像２３、２５サイズは大きいのでその影響は受けにくくなる。また中心光軸１７位置に相当する受光部８上の位置２２には必ずマスク像２３が投影されるから、マスク像２３の形状がスペックルによって多少の変化を受けたとしても、その投影される位置は常に不変であり原点指標として確認することが出来る。この原点指標２３に対して軸外光束による参照用のマスク像２５の位置を比較すれば、その位置関係を正しく把握することが出来る。
When the focusing operation is completed as described above, the illumination light source 31 in FIG. 3 is turned on. Then, the illumination light beam illuminates the object 6 as described above, and the reflected light is projected from the light receiving unit 8 to the display unit 15. This projected image can be observed as a sharp image in focus. When the illumination light is applied to observe the surface of the object 6, the object 6 can be illuminated after the focus position confirmation mask plate 16 installed in the optical system is removed. Although this attachment / detachment means is omitted in the drawing, when the mask plate 16 is installed in the optical system in order to confirm the focus position, it is necessary to prepare the center hole 18 and the center optical axis 17 to coincide with each other. If the mask plate 16 is removed from the optical system 1 and the half mirror 33 of the illumination optical system is inserted into the optical system at the same time, the brightness of the index by the measurement optical system 1 can be improved. I can do it.
When the mask plate 16 is installed in the optical system 1 and a focusing operation is performed, a speckle phenomenon may occur on the surface of the object 6. However, since the size of the mask images 23 and 25 on the object surface formed by the center hole 18 and the reference hole 19 provided in the mask plate 16 is large, it is not easily affected. Further, since the mask image 23 is always projected at the position 22 on the light receiving unit 8 corresponding to the position of the central optical axis 17, even if the shape of the mask image 23 is slightly changed by speckle, it is projected. The position is always unchanged and can be confirmed as an origin index. If the position of the reference mask image 25 by the off-axis light beam is compared with the origin index 23, the positional relationship can be correctly grasped.
次に図５について説明する。この例は物体６の観察面位置が対物レンズ５の焦点位置に対して、図２Ａの６ａのような位置で光源２から遠ざかる方向に焦点誤差を起こしているときの光学系１を示している。図５Ａにおいて光源からの光束は図２のレンズ３によって平行光束となり、光学系１の中心光軸１７に沿って進んだ光束は、図４Ａと同様にピント位置確認用マスク板１６の中心孔１８を通過し、ビームスプリッタ４、対物レンズ５を経て物体６ａ上の中心光軸１７上の位置２１に向かう。そこで反射した光束は対物レンズ５、ビームスプリッタ４、結像レンズ７を経て受光部８上の中心光軸位置２２に投影される。この投影されたマスク像を図５Ｂでは丸型２３として示してある。
一方、レンズ３によって平行光束となった光束の内、参照孔１９を通過した軸外光束２４は図４Ａと同じようにビームスプリッタ４の反射面位置２０ａを通過する。ここを通過した光束は対物レンズ５によって集束され物体６ａに向かうが、物体６ａの設置されている位置が、図４Ａに示した正規の位置６から例えば距離Ｌ１だけずれた位置６ａとなっているため、対物レンズ５からの光束は距離Ｌ１に対応する分だけ中心光軸１７上の位置２１から離れた位置２１ａに向かう。そして物体６ａに入射した角度と同じ角度θで反射して対物レンズ５からビームスプリッタ４に向かい、その反射面２０上の位置２０ｃで方向を変え結像レンズ７に向かう。ビームスプリッタ４の反射面位置２０ｃは物体６の位置が距離Ｌ１分だけ移動したことによって決められる位置で、このような位置２０ｃで反射した光束は結像レンズ７から受光部８上の位置２２ａに投影される。図５Ｂではこの受光部８に投影された軸外光束２４によるマスク像２５ａを角型として示したが、その投影される位置２２ａは中心光軸上の位置２２から距離Ｌ２分だけ離れた位置であり、距離Ｌ２は前記した距離Ｌ１によって決められる。
以上のようにこの場合も、光源２からの光束のうちマスク板１６に設けた中心孔１８と参照孔１９を通過した光束１７、２４が物体６ａに向かう。そしてその物体６ａ上の位置２１と２１ａで反射された光束は、受光部８上の位置２２と２２ａに、中心孔１８のマスク像２３と参照孔１９のマスク像２５ａとして投影される。この投影された状態を表示部１５で確認すれば、距離Ｌ２だけ分離した丸型と角型の指標として確認することができる。それによって物体６ａに対する光学系のピント位置はＬ２分ずれていると判断する。
Next, FIG. 5 will be described. This example shows the optical system 1 when the observation surface position of the object 6 causes a focus error in a direction away from the light source 2 at a position such as 6a in FIG. 2A with respect to the focal position of the objective lens 5. . In FIG. 5A, the light beam from the light source is converted into a parallel light beam by the lens 3 of FIG. 2, and the light beam traveling along the central optical axis 17 of the optical system 1 is the central hole 18 of the focus position confirmation mask plate 16 as in FIG. And passes through the beam splitter 4 and the objective lens 5 toward the position 21 on the central optical axis 17 on the object 6a. The reflected light beam passes through the objective lens 5, the beam splitter 4, and the imaging lens 7 and is projected onto the central optical axis position 22 on the light receiving unit 8. This projected mask image is shown as a round shape 23 in FIG. 5B.
On the other hand, the off-axis light beam 24 that has passed through the reference hole 19 out of the light beam that has become a parallel light beam by the lens 3 passes through the reflection surface position 20a of the beam splitter 4 as in FIG. 4A. The light beam passing therethrough is converged by the objective lens 5 and travels toward the object 6a, but the position where the object 6a is installed is a position 6a that is shifted from the regular position 6 shown in FIG. 4A by, for example, a distance L1. Therefore, the light beam from the objective lens 5 travels to a position 21a away from the position 21 on the central optical axis 17 by an amount corresponding to the distance L1. Then, the light is reflected at the same angle θ as the incident angle on the object 6 a, travels from the objective lens 5 toward the beam splitter 4, changes direction at a position 20 c on the reflection surface 20, and travels toward the imaging lens 7. The reflection surface position 20c of the beam splitter 4 is a position determined by the position of the object 6 being moved by the distance L1, and the light beam reflected at the position 20c is transferred from the imaging lens 7 to the position 22a on the light receiving unit 8. Projected. In FIG. 5B, the mask image 25a by the off-axis light beam 24 projected onto the light receiving unit 8 is shown as a square shape, but the projected position 22a is a position away from the position 22 on the central optical axis by a distance L2. Yes, the distance L2 is determined by the distance L1 described above.
As described above, also in this case, the light beams 17 and 24 that have passed through the center hole 18 and the reference hole 19 provided in the mask plate 16 out of the light beam from the light source 2 are directed toward the object 6a. The light beams reflected at the positions 21 and 21 a on the object 6 a are projected as the mask image 23 of the center hole 18 and the mask image 25 a of the reference hole 19 on the positions 22 and 22 a on the light receiving unit 8. If this projected state is confirmed on the display unit 15, it can be confirmed as a circular and square index separated by a distance L2. Accordingly, it is determined that the focus position of the optical system with respect to the object 6a is shifted by L2.
２つの指標２３、２５ａが分離していることを表示部１５で確認したら、この例の場合、手動で対物レンズ５を光軸方向に移動する。この移動により表示部１５の２つの指標２３、２５ａ間の距離Ｌ２が延びた場合には、物体６ａに対する対物レンズ５の移動方向が逆であるとして反対方向に対物レンズ５を移動する。すると２つの指標間距離Ｌ２は徐々に狭まり図４Ｂの状態に近づいていく。この間、光軸上の位置２２に投影されているマスク像２３の位置は常に不変であり、この位置を原点として参照用マスク像２５ａが徐々に近づいていく。そして両マスク像が一致するとマスク像２５ａは図４Ｂのマスク像２５となり、その時点で対物レンズ５の移動を停止する。この重なった状態を確認したときピント位置が一致したと判断する。逆にこの図５Ｂの例のように中心の基準マスク像２３に対して下側の位置に参照用のマスク像２５ａが表示されているときは、物体位置６ａが基準位置６に対して後側になって焦点誤差を起こしていると認識することが出来る。また両マスク像が重なってくるにしたがって、中心孔と参照孔を通過した光束による光量が１カ所に集中してくるから、輝度が増加し、ピント位置が一致したことの確認がしやすくなる。それによって測定用光源２としてレーザ光源をタングステンランプなどに変えて使用したとき、発生しやすい照明ムラによる影響を減少化することが出来る。同じように室内に設置された蛍光灯などの外部光による影響が、物体表面に生じるようなことが起きたとしても、ピントが一致してくるに従って指標の区別は明瞭になっていく。 When the display unit 15 confirms that the two indexes 23 and 25a are separated, in this example, the objective lens 5 is manually moved in the optical axis direction. When the distance L2 between the two indexes 23 and 25a of the display unit 15 is extended by this movement, the objective lens 5 is moved in the opposite direction on the assumption that the moving direction of the objective lens 5 with respect to the object 6a is opposite. Then, the distance L2 between the two indexes gradually decreases and approaches the state of FIG. 4B. During this time, the position of the mask image 23 projected onto the position 22 on the optical axis is always unchanged, and the reference mask image 25a gradually approaches with this position as the origin. When the two mask images coincide with each other, the mask image 25a becomes the mask image 25 in FIG. 4B, and the movement of the objective lens 5 is stopped at that time. When this overlapped state is confirmed, it is determined that the focus position is matched. Conversely, when the reference mask image 25a is displayed at a position below the center reference mask image 23 as in the example of FIG. 5B, the object position 6a is behind the reference position 6. It can be recognized that a focus error has occurred. Also, as the mask images overlap, the amount of light due to the light beam that has passed through the center hole and the reference hole concentrates in one place, so that the brightness increases and it is easy to confirm that the focus position is matched. As a result, when the laser light source is changed to a tungsten lamp or the like as the measurement light source 2, it is possible to reduce the influence caused by uneven illumination that tends to occur. Similarly, even if the influence of external light such as a fluorescent lamp installed indoors occurs on the object surface, the distinction of the index becomes clear as the focus is matched.
上記のようにしてピント合わせ作業が終了すると、前記図３で説明したように光源３１からの光束で物体６を照明する。そしてその反射光束を受光部８で受けて表示部１５に表示すれば、設定位置の調整された対物レンズ５によってピントの合った鮮明な画像を観察することが出来る。この場合、図４Ａで説明したようにマスク板１６を光学系１から外して物体６を照明するようにすることもできる。勿論、２つの光源２、３１を同時に点灯しておけば、表示部１５に２種の指標２３、２５と、物体表面の画像を映し出す事が出来る。光学系１が図４Ａのようにピント状態があった状態にあれば、鮮明な物体表面画像中に２種の指標が映し出される。また図５Ａのようにピント誤差が生じているときは、不鮮明な物体表面画像中に鮮明な指標が映し出される。 When the focusing operation is completed as described above, the object 6 is illuminated with the light beam from the light source 31 as described with reference to FIG. Then, when the reflected light beam is received by the light receiving unit 8 and displayed on the display unit 15, a clear image in focus can be observed by the objective lens 5 whose setting position has been adjusted. In this case, as described with reference to FIG. 4A, the mask plate 16 can be removed from the optical system 1 to illuminate the object 6. Of course, if the two light sources 2 and 31 are turned on simultaneously, the two indicators 23 and 25 and the image of the object surface can be displayed on the display unit 15. If the optical system 1 is in a focused state as shown in FIG. 4A, two types of indices are displayed in a clear object surface image. When a focus error has occurred as shown in FIG. 5A, a clear index is displayed in an unclear object surface image.
次に図６について説明する。この例は物体６の観察面位置が対物レンズ５の焦点位置に対して、図２Ａの６ｂのような位置で光源２に近づく方向に焦点誤差を起こしているときの光学系１を示している。図６Ａにおいて光源からの光束は図２のレンズ３によって平行光束となり、光学系１の中心光軸１７に沿って進んだ光束は、前述の場合と同様の光路を通って受光部８上の中心光軸位置２２に投影される。この投影されたマスク像を図６Ｂでは丸型２３として示してある。
一方、レンズ３によって平行光束となった光束の内、参照孔１９を通過した軸外光束２４は図４Ａと同じようにビームスプリッタ４の反射面２０ａを通過する。ここを通過した光束は対物レンズ５によって集束され物体６ｂに向かうが、物体６ｂの設置されている位置が、図４Ａに示した正規の位置６から例えば距離Ｌ１だけ上方にずれた位置となっているため、対物レンズ５からの光束は距離Ｌ１に対応する分だけ中心光軸１７上の位置２１から離れた位置２１ｂに向かう。そして物体６ｂに入射した角度θと同じ角度で反射して対物レンズ５からビームスプリッタ４に向かい、その反射面２０上の位置２０ｄで方向を変え結像レンズ７に向かう。この反射面位置２０ｄは物体６の位置が距離Ｌ１分だけ光源側に移動したことによって与えられる位置で、このような位置２０ｄで反射した光束は結像レンズ７から受光部８上の位置２２ｂに投影される。図６Ｂではこの受光部８に投影された軸外光束２４によるマスク像２５ｂを図５Ｂの２５ａと同じ角型として示したが、この投影される位置２２ｂは中心光軸上の位置２２から距離Ｌ２分だけ上方に離れた位置であり、距離Ｌ２は前記した距離Ｌ１によって決められる。
以上のようにこの場合も、光源２からの光束のうちマスク板１６に設けた中心孔１８と参照孔１９を通過した光束１７、２４が物体６ｂに向かう。そしてその物体６ｂ上の位置２１と２１ｂで反射された光束は、受光部８上の位置２２と２２ｂに、中心孔１８のマスク像２３と参照孔１９のマスク像２５ｂとして投影される。この投影された状態を表示部１５で確認すれば、距離Ｌ２だけ分離した丸型と角型の指標として確認することができる。それによって物体６ｂに対する光学系のピント位置はＬ２分だけずれていると判断する。
Next, FIG. 6 will be described. This example shows the optical system 1 when the position of the observation surface of the object 6 causes a focus error in a direction approaching the light source 2 at a position such as 6b in FIG. 2A with respect to the focus position of the objective lens 5. . In FIG. 6A, the light beam from the light source is converted into a parallel light beam by the lens 3 in FIG. 2, and the light beam traveling along the central optical axis 17 of the optical system 1 passes through the optical path similar to the above case and is centered on the light receiving unit 8. Projected onto the optical axis position 22. This projected mask image is shown as a round shape 23 in FIG. 6B.
On the other hand, the off-axis light beam 24 that has passed through the reference hole 19 among the light beams that have become parallel light beams by the lens 3 passes through the reflecting surface 20a of the beam splitter 4 in the same manner as in FIG. 4A. The light beam passing therethrough is focused by the objective lens 5 and travels toward the object 6b. However, the position where the object 6b is set is shifted from the normal position 6 shown in FIG. 4A by a distance L1, for example. Therefore, the light beam from the objective lens 5 travels to a position 21b away from the position 21 on the central optical axis 17 by an amount corresponding to the distance L1. Then, the light is reflected at the same angle as the angle θ incident on the object 6 b, travels from the objective lens 5 toward the beam splitter 4, changes direction at a position 20 d on the reflection surface 20, and travels toward the imaging lens 7. The reflecting surface position 20d is a position given by the position of the object 6 being moved to the light source side by the distance L1, and the light beam reflected at the position 20d is transferred from the imaging lens 7 to the position 22b on the light receiving unit 8. Projected. In FIG. 6B, the mask image 25b by the off-axis light beam 24 projected onto the light receiving unit 8 is shown as the same square shape as 25a in FIG. 5B, but this projected position 22b is a distance L2 from the position 22 on the central optical axis. The distance L2 is determined by the distance L1 described above.
As described above, also in this case, the light beams 17 and 24 that have passed through the center hole 18 and the reference hole 19 provided in the mask plate 16 out of the light beam from the light source 2 are directed toward the object 6b. The light beams reflected at the positions 21 and 21b on the object 6b are projected as the mask image 23 of the center hole 18 and the mask image 25b of the reference hole 19 on the positions 22 and 22b on the light receiving unit 8. If this projected state is confirmed on the display unit 15, it can be confirmed as a circular and square index separated by a distance L2. Accordingly, it is determined that the focus position of the optical system with respect to the object 6b is shifted by L2.
２つの指標２３、２５ｂが分離していることを表示部１５で確認したら、手動で対物レンズ５を光軸方向に移動して表示部１５の２つの指標２３、２５ｂ間の距離Ｌ２を縮めていく。すると２つの指標間距離Ｌ２は徐々に狭まり図４Ｂの状態に近づいていく。この間、中心マスク像２３位置は常に原点位置として不変であり、この位置に参照用マスク像２５ｂが徐々に近づいていく。両マスク像が重なって一致したら対物レンズ５を停止し、ピント位置が一致したと判断する。また図６Ｂの様に中心の基準マスク像２３に対して上側の位置に参照用のマスク像２５ｂが表示されているときは、物体位置６ｂが基準位置６に対して前側になっていると認識することが出来る。 When the display unit 15 confirms that the two indicators 23 and 25b are separated, the objective lens 5 is manually moved in the optical axis direction to reduce the distance L2 between the two indicators 23 and 25b of the display unit 15. Go. Then, the distance L2 between the two indexes gradually decreases and approaches the state of FIG. 4B. During this time, the position of the center mask image 23 is always unchanged as the origin position, and the reference mask image 25b gradually approaches this position. When both mask images overlap and match, the objective lens 5 is stopped and it is determined that the focus positions match. 6B, when the reference mask image 25b is displayed at the upper position with respect to the center reference mask image 23, it is recognized that the object position 6b is in front of the reference position 6. I can do it.
上記のようにしてピント合わせ作業が終了すると、前記図４Ａで説明したように光源３１からの光束で物体６を照明する。そしてその反射光束を受光部８で受けて表示部１５に表示すれば、ピントの合った鮮明な画像を確認することが出来る。 When the focusing operation is completed as described above, the object 6 is illuminated with the light beam from the light source 31 as described with reference to FIG. 4A. Then, if the reflected light beam is received by the light receiving unit 8 and displayed on the display unit 15, a clear and focused image can be confirmed.
次に図７を用いて実施例２について説明する。この実施例は図２に示したピント位置確認用マスク板１６の参照孔１９を複数にし、更に光学系１をオートフォーカス方式としたものである。
図７Ａは光学系の焦点位置と物体表面位置が一致しているときのもので、光源２からの平行光束となった光束は、図２Ａ、図４Ａと同様に位置確認用マスク板１６ａを照明する。このマスク板１６ａは図７Ｂにその平面図を示したように、丸型の中心孔１８を中心として長さＲを半径とする円周上に４つの角型参照孔１９ａ〜１９ｄが設けられている。光学系の中心光軸１７に沿って進んだ光束は、このマスク板１６ａの丸型中心孔１８を通過し、前述実施例１の場合と同様にビームスプリッタ４、対物レンズ５を経て、その焦点位置近傍に設置された物体６に向かう。そして中心光軸１７上の位置２１で反射し、対物レンズ５、ビームスプリッタ４、結像レンズ７を経て受光部８に投影される。この投影される受光部８上の位置は光軸１７上の位置２２であり、図７Ｅにはこれを丸型のマスク像２３として示した。ＣＣＤなどで構成した受光部８に投影されたマスク像２３は、後に説明する軸外光束からの角型マスク像２５と共に光電変換され演算部１０に送られる。そして受光部８に投影された２種の光束２３、２５によって作り出される拡がり面積が求められ、その結果が駆動制御部１１に伝えられる。この場合の拡がり面積は、まだ中心孔１８からのマスク像２３だけなので、このマスク像２３の面積が拡がり面積となる。駆動制御部１１は伝えられた拡がり面積に相当する分の移動量を対物レンズ５に伝え、それを光軸１７上で移動させて物体６に対するピント位置を調整する。
Next, Example 2 will be described with reference to FIG. In this embodiment, a plurality of reference holes 19 are provided in the focus position confirmation mask plate 16 shown in FIG. 2, and the optical system 1 is an autofocus system.
FIG. 7A shows a case where the focal position of the optical system coincides with the position of the object surface, and the light beam that has become a parallel light beam from the light source 2 illuminates the position confirmation mask plate 16a as in FIGS. 2A and 4A. To do. As shown in the plan view of FIG. 7B, the mask plate 16a is provided with four rectangular reference holes 19a to 19d on a circumference having a radius R with a center hole 18 as a center. Yes. The light beam that has traveled along the central optical axis 17 of the optical system passes through the round central hole 18 of the mask plate 16a, passes through the beam splitter 4 and the objective lens 5 in the same manner as in the first embodiment, and the focal point thereof. It goes to the object 6 installed near the position. Then, the light is reflected at a position 21 on the central optical axis 17 and projected onto the light receiving unit 8 through the objective lens 5, the beam splitter 4, and the imaging lens 7. The projected position on the light receiving portion 8 is a position 22 on the optical axis 17, and this is shown as a round mask image 23 in FIG. 7E. A mask image 23 projected on the light receiving unit 8 constituted by a CCD or the like is photoelectrically converted together with a rectangular mask image 25 from an off-axis light beam, which will be described later, and sent to the arithmetic unit 10. Then, a spread area created by the two light beams 23 and 25 projected on the light receiving unit 8 is obtained, and the result is transmitted to the drive control unit 11. Since the expansion area in this case is still only the mask image 23 from the center hole 18, the area of the mask image 23 becomes the expansion area. The drive control unit 11 transmits the movement amount corresponding to the transmitted spread area to the objective lens 5 and moves it on the optical axis 17 to adjust the focus position with respect to the object 6.
レンズ３によって平行光束となった光束の内、参照孔１９ａを通過した軸外光束２４ａはビームスプリッタ４の反射面位置２０ａを通過し、対物レンズ５によって物体６上の中心光軸位置２１に向かう。そして物体６に入射した角度θと同じ角度で反射して対物レンズ５からビームスプリッタ４に向かい、その反射面位置２０ｂで方向を変える。そして結像レンズ７を経て受光部８上の中心光軸位置２２に投影される。図７Ｅにこの軸外光束２４ａによる角型のマスク像２５ａを示した。
この角型マスク像２５ａが受光部８に投影されたとき、参照孔１９ａの反対側に位置している参照孔１９ｃからも軸外光束２４ｃが通過する。この参照孔１９ｃは、前記したように中心孔１８位置から長さＲの位置に参照孔１９ａと相対して設けられているから、軸外光束２４ｃはビームスプリッタ４の反射面位置２０ｂを通過し、対物レンズ５で集束され物体６上の中心光軸位置２１に向かう。そして角θで反射して対物レンズ５からビームスプリッタ４の反射面位置２０ａで方向を変え、結像レンズ７を経て受光部８の中心光軸上位置２２に投影される。図では便宜上、前記した参照孔１９ａの通過光束２４ａがビームスプリッタ４の反射面位置２０ａから物体６上の位置２１を経てビームスプリッタ反射面位置２０ｂに向かう光束と、参照孔１９ｃを通過した光束２４ｃが反射面位置２０ｂ、物体上の位置２１、反射面位置２０ａに向かう光束を２つの光路として別々に表記してある。受光部８の中心光軸位置２２に投影された軸外光束２４ｃは、図７Ｅのように角型マスク像２５ｃとして前記のマスク像２５ａ上に重なって投影される。
参照孔１９ａ、１９ｃを軸外光束が通過するときは、残り２つの参照孔１９ｂ、１９ｄも同時に通過する。そしてその軸外光束２４ｂ、２４ｄ（図７Ａでは未表記）は、いずれも物体６上の中心光軸位置２１で反射し、受光部８の中心光軸位置２２に投影される。従って受光部８上では、中心孔１８による丸型マスク像２３と、４つの参照孔１９ａ〜１９ｄによる角型マスク像２５ａ〜２５ｄが同時に投影され、しかも４つの角型マスク像２５は同じ位置に重なって投影されるから図７Ｅのような状態となる。即ち、５つのマスク像２３、２５ａ〜ｄが全て中心光軸上の位置２２に集合して投影された状態となる。
尚、図２〜６の場合も含めてマスク板の中心孔１８は、参照孔１９に比して小サイズとした例となっている。そのため両孔を通過した光束が受光部上に投影されたとき、ピントが合った状態であれば図４Ｂ、または図７Ｅのように角型マスク像２５内に丸型マスク像２３が位置するようになる。勿論、両者の関係は逆転させたり同じサイズにすることが出来るが、受光部上に投影されるときのサイズは対物レンズ５と結像レンズ７の倍率によって決定されるから、両孔１８、１９のサイズはそれらを考慮して定めればよい。さらに中心孔１８と参照孔１９の形状は丸型と角型だけでなく、丸型と丸型としたり、丸型とドーナツ型とするなど、任意に定められることは前記したとおりである。丸型マスク像２３と角型マスク像２５を色違いとすることもできる。例えば光源２を赤色発光するものとしたときマスク板１６の中心孔１８はそのまま通過させ、参照孔１９には色つきのフイルタを貼っておくことによって色違いのマスク像を得ることが出来る。
Of the light beams converted into parallel light beams by the lens 3, the off-axis light beam 24 a that has passed through the reference hole 19 a passes through the reflecting surface position 20 a of the beam splitter 4, and is directed toward the central optical axis position 21 on the object 6 by the objective lens 5. . Then, the light is reflected at the same angle as the angle θ incident on the object 6, is directed from the objective lens 5 to the beam splitter 4, and the direction is changed at the reflection surface position 20 b. Then, the light is projected onto the central optical axis position 22 on the light receiving unit 8 through the imaging lens 7. FIG. 7E shows a rectangular mask image 25a by the off-axis light beam 24a.
When this square mask image 25a is projected onto the light receiving unit 8, the off-axis light beam 24c also passes through the reference hole 19c located on the opposite side of the reference hole 19a. Since the reference hole 19c is provided at the position of the length R from the position of the center hole 18 as described above, the off-axis light beam 24c passes through the reflection surface position 20b of the beam splitter 4. Then, the light is focused by the objective lens 5 toward the center optical axis position 21 on the object 6. Then, the light is reflected at the angle θ, the direction is changed from the objective lens 5 at the reflection surface position 20 a of the beam splitter 4, and the light is projected onto the central optical axis position 22 of the light receiving unit 8 through the imaging lens 7. In the figure, for the sake of convenience, the passing light beam 24a of the reference hole 19a described above passes from the reflection surface position 20a of the beam splitter 4 through the position 21 on the object 6 to the beam splitter reflection surface position 20b, and the light beam 24c passes through the reference hole 19c. Are shown separately as two light paths, the light beam traveling toward the reflecting surface position 20b, the position 21 on the object, and the reflecting surface position 20a. The off-axis light beam 24c projected on the center optical axis position 22 of the light receiving unit 8 is projected as a square mask image 25c on the mask image 25a as shown in FIG. 7E.
When the off-axis light beam passes through the reference holes 19a and 19c, the remaining two reference holes 19b and 19d pass simultaneously. The off-axis light beams 24b and 24d (not shown in FIG. 7A) are both reflected at the central optical axis position 21 on the object 6 and projected onto the central optical axis position 22 of the light receiving unit 8. Accordingly, the round mask image 23 by the center hole 18 and the square mask images 25a to 25d by the four reference holes 19a to 19d are simultaneously projected on the light receiving unit 8, and the four square mask images 25 are at the same position. Since they are projected in an overlapping manner, the state shown in FIG. 7E is obtained. That is, the five mask images 23 and 25a to d are all projected at the position 22 on the central optical axis.
2 and 6, the center hole 18 of the mask plate is an example in which the size is smaller than that of the reference hole 19. Therefore, when the light beam that has passed through both holes is projected onto the light receiving portion, the round mask image 23 is positioned in the square mask image 25 as shown in FIG. 4B or FIG. 7E if it is in focus. become. Of course, the relationship between the two can be reversed or the same size, but since the size when projected onto the light receiving portion is determined by the magnification of the objective lens 5 and the imaging lens 7, both holes 18, 19 are used. The size of can be determined in consideration of them. Furthermore, as described above, the shapes of the center hole 18 and the reference hole 19 are not limited to a round shape and a square shape, but may be a round shape and a round shape, or a round shape and a donut shape. The round mask image 23 and the square mask image 25 may be different in color. For example, when the light source 2 emits red light, the central hole 18 of the mask plate 16 is allowed to pass through as it is, and a colored filter is attached to the reference hole 19 to obtain a mask image of different colors.
演算部１０は、受光部８に投影された光束からその全体の拡がり面積を求める。この場合、前記したように受光部８に投影された全マスク像は中心光軸上の位置２２に集合しているから、全マスク像の拡がり面積は１つの角型マスク像、例えば２５ａと同じになる。この時の値を最小拡がり面積とすれば、演算部１０はこの最小拡がり面積が得られるまで信号を駆動制御部１１に伝えて対物レンズ５を移動していく。そして図７Ｅのように全マスク像が重なって拡がり面積が最小となったとき、それを極値信号として駆動制御部１１に伝える。すると駆動制御部１１は動作を止め、対物レンズ５もその位置で停止する。それによってピント位置が合ったと判断する。 The calculation unit 10 obtains the entire spread area from the light beam projected on the light receiving unit 8. In this case, since all the mask images projected on the light receiving unit 8 are gathered at the position 22 on the central optical axis as described above, the spread area of all the mask images is the same as that of one square mask image, for example, 25a. become. If the value at this time is defined as the minimum spread area, the calculation unit 10 transmits the signal to the drive control unit 11 and moves the objective lens 5 until the minimum spread area is obtained. Then, when all the mask images are overlapped and the spread area is minimized as shown in FIG. 7E, it is transmitted to the drive control unit 11 as an extreme value signal. Then, the drive control unit 11 stops operating, and the objective lens 5 also stops at that position. As a result, it is determined that the focus position is correct.
次に対物レンズ５に対する物体６の位置が図２Ａに示した６ａ、６ｂのような位置にあり、焦点誤差があってピント合わせの動作が必要な場合について説明する。この焦点誤差があるとき軸外光束２４ａ〜２４ｄによって形成されるマスク像２５ａ〜２４ｄは、受光部８上の中心光軸位置２２から距離Ｌ２離れた位置に図７Ｃのように投影される。仮に物体の位置が図２Ａの６ａにあるとすれば参照孔１９ａは２５ａ、１９ｂは２５ｂ、１９ｃは２５ｃ、１９ｄは２５ｄとそれぞれ分離して投影される。このように分離して投影されると、演算部１０は拡がり面積を
マスク像２３＋２５ａ＋２５ｂ＋２５ｃ＋２５ｄ
として求め、その合算した値を全体の拡がり面積として算出する。そして前記の最小面積を求めるため「＋」信号を駆動制御部１１に伝える。すると駆動制御部１１は対物レンズ５を光軸上で移動し距離Ｌ２の値を小さくしていく。それにともなって受光部８上では、図７Ｄのようにマスク像２５ａ〜２５ｄが徐々に中心光軸部に集合していく。するとマスク像２３と軸外光束によるマスク像２５ａ〜２５ｄはその一部が重なってくるから、拡がり面積は重なり合った部分だけ減少し、その結果が駆動制御部１１に伝えられていく。
この間、演算部１０は継続して「＋」信号を発信し、駆動制御部１１は対物レンズ５を移動していく。そして演算部１０が最小になったと判断すると、「＋」信号を止めて極値信号を出力する。このとき受光部８上では図７Ｅのように中心光軸位置２２上で中心マスク像２３と全軸外マスク像２５が一致して重なった状態となり、ピント位置が検出されたと判断されて対物レンズ５の移動が停止する。
物体が図２Ａの６ｂのような位置にある場合についても、上記と同様に受光部上で図７Ｃ、Ｄの様な経過を経て図Ｅのような状態となる。但し、この間の説明は前記の説明と重複することになるので省略する。
以上のように拡がり面積が受光部８上で最小となるまで対物レンズ５を移動してピント合わせの動作を進めて行く。このときマスク像２３、２５は拡がり面積を求めるときの指標として検出される。そして複数（この場合４つ）の参照孔１９としたことによって対比が容易となり、物体６上で１つ１つがスペックルなどの影響を受けたとしても、受光部８上では重なり合って互いに補うようになり、明瞭な指標として確認する事が出来る。更に上記説明は、図２などによる実施例１の場合も含めて物体６に対する光学系１の焦点位置が、基準位置とそれ以外の位置６ａ、６ｂにある時を例としている。これは図１の説明に合わせたためであるが、本発明ではマスク板１６による指標位置を確認することでピント状態を把握できるようにしているから、図１Ａで説明したシリンドリカルレンズ９の制約を受けることはなく、それによって測定可能範囲６ａ〜６ｂの間隔を大きく拡げることが出来る。
Next, the case where the position of the object 6 with respect to the objective lens 5 is at the positions 6a and 6b shown in FIG. 2A and there is a focus error and the focusing operation is necessary will be described. The mask images 25a to 24d formed by the off-axis light beams 24a to 24d when there is this focus error are projected as shown in FIG. 7C at a position away from the center optical axis position 22 on the light receiving unit 8 by the distance L2. If the position of the object is at 6a in FIG. 2A, the reference hole 19a is projected separately from 25a, 19b is 25b, 19c is 25c, and 19d is 25d. When separated and projected in this way, the calculation unit 10 reduces the spread area.
Mask image 23 + 25a + 25b + 25c + 25d
And the total value is calculated as the total spread area. Then, a “+” signal is transmitted to the drive control unit 11 in order to obtain the minimum area. Then, the drive control part 11 moves the objective lens 5 on an optical axis, and makes the value of distance L2 small. Accordingly, on the light receiving unit 8, mask images 25a to 25d gradually gather at the central optical axis as shown in FIG. 7D. Then, the mask image 23 and the mask images 25a to 25d by the off-axis light beam partially overlap each other, so that the spread area is reduced by the overlapped portion, and the result is transmitted to the drive control unit 11.
During this time, the calculation unit 10 continuously transmits a “+” signal, and the drive control unit 11 moves the objective lens 5. When it is determined that the arithmetic unit 10 is minimized, the “+” signal is stopped and an extreme value signal is output. At this time, as shown in FIG. 7E, the center mask image 23 and the all-axis off-axis mask image 25 coincide with each other and overlap each other on the light receiving unit 8 and the objective lens is detected. The movement of 5 stops.
Even in the case where the object is at a position such as 6b in FIG. 2A, the state shown in FIG. However, the explanation in the meantime overlaps with the above explanation, and will be omitted.
As described above, the objective lens 5 is moved and the focusing operation is advanced until the spread area is minimized on the light receiving unit 8. At this time, the mask images 23 and 25 are detected as an index for obtaining the spread area. Further, by using a plurality of (four in this case) reference holes 19, the comparison becomes easy, and even if each of the objects 6 is affected by speckles or the like, they are overlapped on the light receiving unit 8 to compensate each other. It can be confirmed as a clear indicator. Further, the above description exemplifies the case where the focal position of the optical system 1 with respect to the object 6 is at the reference position and the other positions 6a and 6b, including the case of the first embodiment shown in FIG. This is because the explanation is made in accordance with FIG. 1, but in the present invention, since the focus state can be grasped by confirming the index position by the mask plate 16, it is restricted by the cylindrical lens 9 explained in FIG. 1A. In this way, the distance between the measurable ranges 6a to 6b can be greatly increased.
次に図８、９を用いて実施例３について説明する。この実施例は図２に示したピント位置確認用マスク板１６をビームスプリッタ４の後段に移し、更に受光部をフォトダイオードで構成してある。
図８Ａにおいてレンズ３を経て平行光束となった光束は、ビームスプリッタ４を経た後に図２Ａ、図４Ａ、図７Ａと同様なピント位置確認用マスク板１６ｂを照明する。このマスク板１６ｂには図８Ｂにその平面図を示したように、丸型の中心孔１８を中心として左右Ｒの位置に角型参照孔１９ａ、１９ｃが設けられている。光学系１の中心光軸１７に沿って進んだ光束は、このマスク板１６ｂの丸型中心孔１８を通過し対物レンズ５を経て物体６に向かう。そしてその中心光軸上の位置２１で反射し、対物レンズ５、マスク板１６ｂの中心孔１８、ビームスプリッタの反射面２０、結像レンズ７を経てフォトダイオードで構成した受光部８Ｐ上の光軸位置２２に投影される。図Ｃにはこれを丸型マスク像２３として示した。受光部８Ｐに結像した丸型マスク像２３は、後に説明する軸外光束からの角型マスク像２５と共に光電変換され、図７Ａに示した演算部１０に送られる。そして受光部８Ｐに結像した全マスク像２３、２５の光量が求められ、その値が駆動制御部１１に伝えられる。駆動制御部１１は伝えられた光量に相当する分の移動量を対物レンズ５に伝え、それを光軸１７上で移動させて物体６に対するピント位置を調整する。
Next, Embodiment 3 will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the focus position confirmation mask plate 16 shown in FIG. 2 is moved to the subsequent stage of the beam splitter 4, and the light receiving portion is constituted by a photodiode.
8A passes through the beam splitter 4 and then illuminates the focus position confirmation mask plate 16b similar to that in FIGS. 2A, 4A, and 7A. As shown in the plan view of FIG. 8B, the mask plate 16b is provided with square reference holes 19a and 19c at positions on the left and right R with the round center hole 18 as the center. The light beam traveling along the central optical axis 17 of the optical system 1 passes through the circular center hole 18 of the mask plate 16 b and travels toward the object 6 through the objective lens 5. Then, the light is reflected at a position 21 on the central optical axis, passes through the objective lens 5, the central hole 18 of the mask plate 16b, the reflecting surface 20 of the beam splitter, the imaging lens 7, and the optical axis on the light receiving portion 8P configured by a photodiode. Projected at position 22. This is shown as a round mask image 23 in FIG. The round mask image 23 formed on the light receiving unit 8P is photoelectrically converted together with a rectangular mask image 25 from an off-axis light beam, which will be described later, and sent to the arithmetic unit 10 shown in FIG. 7A. Then, the light amounts of all the mask images 23 and 25 formed on the light receiving unit 8P are obtained, and the values are transmitted to the drive control unit 11. The drive control unit 11 transmits a movement amount corresponding to the transmitted light amount to the objective lens 5 and moves it on the optical axis 17 to adjust the focus position with respect to the object 6.
レンズ３によって平行光束となった光束の内、参照孔１９ａを通過した軸外光束２４ａは対物レンズ５によって集束され物体６上の中心光軸位置２１に向かう。そして物体６に入射した角度θと同じ角度で反射して対物レンズ５からマスク板１６ｂの参照孔１９ｃを通過し、ビームスプリッタ４の反射面位置２０ｂで方向を変える。そして結像レンズ７を経て受光部８Ｐ上の中心光軸位置２２に投影される。図８Ｃにこの軸外光束２４ａによる角型マスク像２５ａを示した。
この角型マスク像２５ａが受光部８Ｐに投影されたとき、マスク板１６ｂの参照孔１９ｃも軸外光束２４ｃが通過する。この参照孔１９ｃを通過した軸外光束２４ｃは前記の軸外光束２４ａと同じように物体６上で反射し、マスク板１６ｂの参照孔１９ａを通過してビームスプリッタ４の反射面位置２０ａで方向を変え、受光部８Ｐの中心光軸上位置２２に投影される。図では便宜上、この２つの軸外光束２４ａ、２４ｃの光路を別々のものとして表記したが、軸外光束２４ｃによる角型マスク像２５ｃは前記のマスク像２５ａ上に重なって投影されることになる。
Of the light beams that have become parallel light beams by the lens 3, the off-axis light beam 24 a that has passed through the reference hole 19 a is converged by the objective lens 5 toward the central optical axis position 21 on the object 6. Then, the light is reflected at the same angle as the angle θ incident on the object 6, passes through the reference hole 19 c of the mask plate 16 b from the objective lens 5, and changes its direction at the reflection surface position 20 b of the beam splitter 4. Then, the light passes through the imaging lens 7 and is projected onto the central optical axis position 22 on the light receiving portion 8P. FIG. 8C shows a square mask image 25a by the off-axis light beam 24a.
When this square mask image 25a is projected onto the light receiving portion 8P, the off-axis light beam 24c also passes through the reference hole 19c of the mask plate 16b. The off-axis light beam 24c that has passed through the reference hole 19c is reflected on the object 6 in the same way as the off-axis light beam 24a, passes through the reference hole 19a of the mask plate 16b, and is directed at the reflection surface position 20a of the beam splitter 4. , And projected onto the center optical axis position 22 of the light receiving unit 8P. In the figure, for convenience, the optical paths of the two off-axis light beams 24a and 24c are shown as separate ones. However, the rectangular mask image 25c by the off-axis light beam 24c is projected on the mask image 25a. .
図８では省略してある演算部１０は、この受光部８に投影された全てのマスク像から全体光量を求める。この場合、全マスク像は中心光軸上の位置２２に１つに重なって集合しているが、その光量は中心マスク像２３と２つの軸外マスク像２５によるものとが加算された値となる。この時の値を最大光量とすれば、演算部１０はこの最大光量が得られるまで信号を駆動制御部１１に伝えて対物レンズ５を移動していく。そして図８Ｃのように全マスク像が重なって光量が最大となったとき極値信号を出力する。駆動制御部１１はこの信号を受けて動作を止め、対物レンズ５もその位置で停止する。それによってピント位置が合ったと判断する。 The arithmetic unit 10, which is omitted in FIG. 8, obtains the total light amount from all the mask images projected on the light receiving unit 8. In this case, all the mask images are gathered together at one position 22 on the central optical axis, but the amount of light is a value obtained by adding the central mask image 23 and the two off-axis mask images 25. Become. If the value at this time is the maximum light amount, the calculation unit 10 transmits a signal to the drive control unit 11 to move the objective lens 5 until the maximum light amount is obtained. Then, as shown in FIG. 8C, when all the mask images overlap and the light quantity becomes maximum, an extreme value signal is output. Upon receiving this signal, the drive control unit 11 stops its operation, and the objective lens 5 also stops at that position. As a result, it is determined that the focus position is correct.
次に図９を用いて対物レンズ５に対する物体位置が６ｂのような位置にあり、ピント合わせの動作が必要な場合について説明する。この焦点誤差があるときの参照孔１９ａを通過した光束２４ａは、対物レンズ５によって集束され物体上に向かうが、その光束は物体位置が、例えば距離Ｌ１分だけ変化しているので位置２１ｂで反射する。そしてその入射角度θと同じ角度で反射した光束は、対物レンズ５を経てマスク板１６ｂに向かう。しかしその光束は前記のように物体上の反射位置が２１ｂに変化したことによって参照孔１９ｃを通過することが出来ず遮断されてしまう。同じように図９Ａではその光路を省略してあるが、参照孔１９ｃを通過して物体６ｂ上で反射する光束２４ｃも参照孔１９ａを通過することが出来ず遮断されてしまう。従って受光部８Ｐに投影されるマスク像は中心光軸１７に沿って進んできた光束だけのものとなる。図９Ｂにこの中心孔１８を通って中心光軸上の位置２２に投影されたマスク像２３を示した。
演算部１０はこの中心マスク像２３によって得られる光量を受光部８Ｐから受けるが、前記の図８で説明した最大光量を求めるため「−」信号を駆動制御部１１に伝える。駆動制御部１１は対物レンズ５を光軸上で移動し距離Ｌ１の値を小さくしていく。すると受光部上には図９Ｃのように参照孔１９ａ、１９ｃを通過して投影されるマスク像２５ａ、２５ｃが徐々に現れ始め、中心光軸部２２に投影されていく。そのため対物レンズ５が光軸方向に移動してピント状態が良くなるにしたがって、マスク像２５ａ、ｃによってもたらされる光量が増えていき、演算部１０の演算値も増加していく。
この間、演算部１０は継続して「−」信号を発信し、駆動制御部１１は対物レンズ５を移動していく。そして演算部１０が最大の極値になったと判断すると「−」信号を止め、極値信号を出力する。このとき受光部８Ｐ上では図９Ｄのように中心光軸位置２２上で中心マスク像２３と２つの軸外マスク像２５ａ、ｃが一致して重なった状態となり、対物レンズ５の移動が停止する。
Next, a case where the object position with respect to the objective lens 5 is at a position 6b and a focusing operation is necessary will be described with reference to FIG. The light beam 24a that has passed through the reference hole 19a when there is this focus error is converged by the objective lens 5 and travels on the object. However, since the object position has changed by, for example, the distance L1, the light beam 24a is reflected at the position 21b. To do. The light beam reflected at the same angle as the incident angle θ passes through the objective lens 5 toward the mask plate 16b. However, the light beam cannot be passed through the reference hole 19c because the reflection position on the object has changed to 21b as described above, and is blocked. Similarly, although the optical path is omitted in FIG. 9A, the light beam 24c that passes through the reference hole 19c and reflects on the object 6b cannot pass through the reference hole 19a and is blocked. Therefore, the mask image projected onto the light receiving unit 8P is only the light beam that has traveled along the central optical axis 17. FIG. 9B shows a mask image 23 projected through the central hole 18 to a position 22 on the central optical axis.
The arithmetic unit 10 receives the light amount obtained from the central mask image 23 from the light receiving unit 8P, but transmits a “−” signal to the drive control unit 11 in order to obtain the maximum light amount described with reference to FIG. The drive control unit 11 moves the objective lens 5 on the optical axis to decrease the value of the distance L1. Then, mask images 25 a and 25 c projected through the reference holes 19 a and 19 c as shown in FIG. 9C gradually appear on the light receiving portion and are projected onto the central optical axis portion 22. Therefore, as the objective lens 5 moves in the optical axis direction and the focus state is improved, the amount of light provided by the mask images 25a and 25c increases, and the calculation value of the calculation unit 10 also increases.
During this time, the calculation unit 10 continuously transmits a “−” signal, and the drive control unit 11 moves the objective lens 5. When the arithmetic unit 10 determines that the maximum extreme value has been reached, the "-" signal is stopped and the extreme value signal is output. At this time, the center mask image 23 and the two off-axis mask images 25a and 25c coincide with each other on the center optical axis position 22 on the light receiving unit 8P, as shown in FIG. 9D, and the movement of the objective lens 5 stops. .
物体が図９Ａの６ａのような位置にあるときについて説明する。マスク板１６ｂの参照孔１９ｃを通過した光束２４ｃは、対物レンズ５によって集束され物体上に向かう。しかしその光束は物体位置が例えば距離Ｌ１分だけ変化しているので、光軸位置２１より外れた位置２１ｃで反射する。そしてその入射角度θと同じ角度で反射した光束は、対物レンズ５からマスク板１６ｂに向かう。だがその光束は物体上の反射位置が２１ｃに変化したことによって参照孔１９ａを通過することが出来ず遮断されてしまう。同じように図ではその光路を省略してあるが、参照孔１９ａを通過して物体６ａ上で反射した光束２４ａも、参照孔１９ｃを通過することが出来ず遮断されてしまう。従って受光部８Ｐに投影されるマスク像は中心光軸１７に沿って進んだものだけとなる。図９Ｂにこの中心孔１８を通って中心光軸位置２２に投影されたマスク像２３を示した。演算部１０はこの中心マスク像２３によって得られる光量から、最大光量を求めるための「＋」信号を駆動制御部１１に送り対物レンズ５を移動する。以後、前述の物体６ｂの時と同じ動作を行って極値を求め、対物レンズ５の位置を調整する。
以上のようにマスク板１６ｂの中心孔と参照孔を通過した光束による光量が、受光部８Ｐ上で最大となるまで対物レンズ５を移動してピント合わせの動作を進めて行くが、受光部８Ｐ上に投影された２種のマスク像２３、２５は光量を求めるときの指標として検出される。
The case where the object is at a position as shown in 6a of FIG. 9A will be described. The light beam 24c that has passed through the reference hole 19c of the mask plate 16b is focused by the objective lens 5 toward the object. However, the light beam is reflected at a position 21c deviating from the optical axis position 21 because the object position is changed by, for example, the distance L1. The light beam reflected at the same angle as the incident angle θ travels from the objective lens 5 to the mask plate 16b. However, the luminous flux is blocked because it cannot pass through the reference hole 19a because the reflection position on the object has changed to 21c. Similarly, although the optical path is omitted in the figure, the light beam 24a that has passed through the reference hole 19a and reflected on the object 6a cannot be passed through the reference hole 19c and is blocked. Therefore, the mask image projected onto the light receiving portion 8P is only the one that has traveled along the central optical axis 17. FIG. 9B shows a mask image 23 projected onto the central optical axis position 22 through the central hole 18. The arithmetic unit 10 sends a “+” signal for obtaining the maximum light amount from the light amount obtained by the center mask image 23 to move the objective lens 5. Thereafter, the same operation as that for the object 6b described above is performed to obtain an extreme value, and the position of the objective lens 5 is adjusted.
As described above, the objective lens 5 is moved and the focusing operation is advanced until the amount of light by the light beam that has passed through the center hole and the reference hole of the mask plate 16b reaches the maximum on the light receiving unit 8P. The two types of mask images 23 and 25 projected on the top are detected as indices for determining the amount of light.
以上のように図７の実施例２では、受光部８が受けた中心孔１８と参照孔１９の通過光束によるマスク像２３、２５からその拡がり面積を求め、その面積が最小となる極値が検出されるまで対物レンズ５を光軸方向に移動させるようにしている。また図８などによる実施例３では、受光部８が受けた中心孔１８と参照孔１９のマスク像２３、２５から光量を求め、その光量が最大となる極値が検出されるまで対物レンズ５を光軸方向に移動させるようにしている。このように両者が検出する対象は最小の拡がり面積と最大の光量という差はあるが、中心孔と参照孔のマスク像２３、２５を受光部８に投影し、その出力が極値となるまで対物レンズ５を光軸方向に移動させるという点では一致している。また測定光学系１と照明光学系３０の構成は最も単純な形としてあるが、用途に応じて種々変換できることは明らかである。さらに図３で説明した照明光学系３０は測定光学系１と一部を共通したものとしてあるが、照明光学系を分離独立して別個の光学系となし、２つの光学系を並立させるようにすることもできる。 As described above, in the second embodiment shown in FIG. 7, the spread area is obtained from the mask images 23 and 25 by the light fluxes passing through the center hole 18 and the reference hole 19 received by the light receiving unit 8, and the extremum at which the area is minimized The objective lens 5 is moved in the optical axis direction until it is detected. In Example 3 according to FIG. 8 and the like, the light quantity is obtained from the mask images 23 and 25 of the center hole 18 and the reference hole 19 received by the light receiving unit 8, and the objective lens 5 is detected until the extreme value at which the light quantity is maximum is detected. Is moved in the direction of the optical axis. As described above, the objects detected by the both have the difference between the minimum spread area and the maximum light amount, but the mask images 23 and 25 of the center hole and the reference hole are projected onto the light receiving unit 8 until the output becomes an extreme value. This is the same in that the objective lens 5 is moved in the optical axis direction. Moreover, although the structure of the measurement optical system 1 and the illumination optical system 30 is the simplest form, it is obvious that various conversions can be made depending on the application. Further, although the illumination optical system 30 described in FIG. 3 is partly shared with the measurement optical system 1, the illumination optical system is separated and independent from each other so that the two optical systems are juxtaposed. You can also
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・・・演算部 １１・・・駆動制御部 １５・・・表示部 １６・・・ピント位置確認用マスク板 １７・・・中心光軸 １８・・・中心孔 １９・・・参照孔 ２０・・・反射面 ２１・・・物体上の光軸位置 ２２・・・受光部上の結像位置 ２３・・・丸型中心マスク像 ２４・・・軸外光束 ２５・・・角型軸外マスク像 ３０・・・照明光学系 ３１・・・照明用光源 ３２・・・レンズ ３３・・・ハーフミラー DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Measurement optical system 2 ... Semiconductor laser light source 3 ... Lens 4 ... Beam splitter 5 ... Objective lens 6 ... Object 7 ... Imaging lens 8 ... Light-receiving part 9 ... Cylindrical lens 10 ... Calculation unit 11 ... Drive control unit 15 ... Display unit 16 ... Focus position confirmation mask plate 17 ... Center optical axis 18 ... Center hole 19 ... Reference hole 20: Reflecting surface 21 ... Optical axis position on object 22 ... Imaging position on light receiving part 23 ... Round center mask image 24 ... Off-axis light beam 25 ... Square off-axis mask image 30 ... Illumination optical system 31 ... Illumination light source 32 ... Lens 33 ... Half mirror
Claims (2)
該ピント位置確認用マスク板における前記光源からの光を通過させる孔を通過した光束が物体表面で反射され、前記ビームスプリッタで前記受光部に投影されて表示部に表示されたマスク像を指標とし、前記物体表面のピント状態を確認するようにした測定装置において、
前記ピント位置確認用マスク板は光学系中心光軸の光束が通過する中心孔と軸外光束が通過する参照孔とが設けられて前記レンズとビームスプリッタとの間に設置され、表示部に表示された前記中心孔と参照孔の受光部出力画像の距離により、前記物体表面のピント状態を確認するようにしたことを特徴とする測定装置。 A lens that converts light from a light source into a parallel light beam, an objective lens that irradiates an object surface that is installed near the focal position by the light from the light source that has been converted into a parallel light beam, and is installed between the lens and the objective lens A beam splitter for directing light from the light source toward the objective lens and bending light reflected from the observation surface of the object by 90 degrees with respect to the optical axis of the lens and the objective lens, and reflected light from the beam splitter Installed in a parallel light beam of the measurement optical system, a measurement optical system comprising an imaging lens that collects the light and projects it onto the light receiving unit, a display unit that receives the output from the light receiving unit and displays the object surface has been made and a focus check mask plate provided with holes for passing the light from said light source,
The light beam that has passed through the hole for allowing the light from the light source to pass through the focus position confirmation mask plate is reflected by the object surface, and is projected onto the light receiving unit by the beam splitter and displayed on the display unit as an index. , In a measuring apparatus adapted to confirm the focus state of the object surface,
The focus position confirmation mask plate is provided with a center hole through which the light beam of the central optical axis of the optical system passes and a reference hole through which the off-axis light beam passes, and is installed between the lens and the beam splitter and displayed on the display unit. The focus state of the object surface is confirmed based on the distance between the center hole and the light receiving portion output image of the reference hole .
該ピント位置確認用マスク板における前記光源からの光を通過させる孔を通過した光束が物体表面で反射され、前記ビームスプリッタで前記受光部に投影されて生じたマスク像を指標として前記物体表面のピント状態を確認するようにした測定装置において、
前記ピント位置確認用マスク板は、光学系中心光軸の光束が通過する中心孔と軸外光束が通過する参照孔とが設けられて前記ビームスプリッタと対物レンズとの間に設置され、前記中心孔と参照孔とを通過して物体表面で反射した光束によるマスク像の光量を指標とし、前記物体表面のピント状態を確認するようにしたことを特徴とする測定装置。 A lens that converts light from a light source into a parallel light beam, an objective lens that illuminates an object surface that is installed near the focal position by the light from the light source that has been converted into the parallel light beam, and is installed between the lens and the objective lens A beam splitter for directing light from the light source toward the objective lens and bending light reflected from the observation surface of the object by 90 degrees with respect to the optical axis of the lens and the objective lens, and reflected light from the beam splitter For measuring the focus position provided with a measurement optical system comprising an imaging lens for condensing the light and projecting it onto the light-receiving unit, and a hole installed in the parallel light beam of the measurement optical system for allowing the light from the light source to pass therethrough It consists of a mask plate,
The light beam that has passed through the hole for allowing the light from the light source to pass through the focus position confirmation mask plate is reflected by the object surface, and is projected onto the light receiving unit by the beam splitter. In a measuring device that checks the focus state,
The focus position confirmation mask plate is provided between the beam splitter and the objective lens with a center hole through which the light beam of the optical axis of the optical system passes and a reference hole through which the off-axis light beam passes. A measuring apparatus characterized in that the focus state of the object surface is confirmed by using the light quantity of a mask image by a light beam passing through the hole and the reference hole and reflected by the object surface as an index .
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