JP4875354B2 - Autofocus device and autofocus method - Google Patents

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本発明は、被測定物に対するオートフォーカス装置及びオートフォーカス方法に関するものであって、詳しくは、対物レンズの光軸方向で結像位置が異なる少なくとも二以上の投影パターンにて、その被測定物上における投影画像のコントラスト差が所定の範囲内になるように制御し、構成が簡単で且つ高速のオートフォーカスを実現しようとするオートフォーカス装置及びオートフォーカス方法に係るものである。 The present invention relates to an autofocus device and an autofocus method for an object to be measured, and more specifically, at least two or more projection patterns having different imaging positions in the optical axis direction of an objective lens on the object to be measured. The present invention relates to an autofocus apparatus and an autofocus method which are controlled so that the contrast difference of a projected image in the above range is within a predetermined range, and have a simple configuration and realize high-speed autofocus.

従来、コントラスト法によるオートフォーカス装置では、被測定物の画像を表示するための第1の撮像素子と、この第1の撮像素子とフォーカス方向においてそれぞれ等距離だけ前後して配置された第2、第3の撮像素子とを備え、第2、第3の撮像素子による被測定物の明るさに関するデータの分散が等しくなる位置に第1〜第3の撮像素子を被測定物に相対移動させることにより、第1の撮像素子が被測定物に対し最適フォーカス位置に設定されるようにしたオートフォーカス装置が知られている(特許文献1参照)。
一方、被測定物の測定面のコントラストを上げるために同測定面に所定のパターンを投影する投影手段と1つの観察光学系(CCDカメラ)とによって構成されるオートフォーカス装置が知られている(特許文献2参照)。
特開平4−260015号公報 特開平9−304685号公報
Conventionally, in an autofocus device using a contrast method, a first image sensor for displaying an image of an object to be measured, and a second image sensor arranged at an equal distance from the first image sensor in the focus direction, A third image sensor, and the first to third image sensors are moved relative to the object to be measured at positions where the variances of data relating to the brightness of the object measured by the second and third image sensors are equal. Thus, an autofocus device is known in which the first image sensor is set to the optimum focus position with respect to the object to be measured (see Patent Document 1).
On the other hand, there is known an autofocus device that includes a projection unit that projects a predetermined pattern on the measurement surface and a single observation optical system (CCD camera) in order to increase the contrast of the measurement surface of the object to be measured ( Patent Document 2).
JP-A-4-260015 Japanese Patent Laid-Open No. 9-304685

前述の従来技術(特許文献1)では、フォーカス検知用の撮像素子と、画像表示等用の撮像素子が機能上独立しており、一対のフォーカス検知用の撮像素子のフォーカス方向位置の中間位置に画像表示等用の撮像素子が設置されているため、装置の置かれている温度環境の変化等により、これらの撮像素子の初期の取り付け位置がフォーカス方向上の位置ズレを生じると、フォーカス検知用の撮像素子で得られた最適フォーカスと画像表示用の撮像素子の被測定物に対する最適フォーカス位置が一致しない場合が起こる。 In the above-described prior art (Patent Document 1), the image sensor for focus detection and the image sensor for image display or the like are functionally independent, and are positioned at an intermediate position between the focus direction positions of the pair of image sensors for focus detection. Since image sensors for image display etc. are installed, if the initial mounting position of these image sensors is displaced in the focus direction due to changes in the temperature environment where the device is placed, etc. There is a case where the optimum focus obtained with the image pickup device does not coincide with the optimum focus position with respect to the object to be measured of the image display image pickup device.

この場合、画像表示用の撮像素子を被測定物に対する最適フォーカス位置に合わせるのに、撮影用の撮像素子を被測定物に対し接近、離間のいずれへ移動調節したらよいか移動方向が不明となるため、撮影用の撮像素子及びフォーカス検知用の撮像素子を、同時に、前記フォーカス検知用の撮像素子で得られた最適フォーカス位置から被測定物に対し前後に移動させ画像表示用の撮像素子の最適フォーカス位置を確認しなければならず、最適フォーカス位置の検知に時間がかかるなどの問題があった。 In this case, in order to adjust the image sensor for image display to the optimum focus position with respect to the object to be measured, it is unclear whether the image sensor for photographing should be adjusted to move toward or away from the object to be measured. Therefore, the image sensor for photographing and the image sensor for focus detection are simultaneously moved back and forth with respect to the object to be measured from the optimum focus position obtained by the image sensor for focus detection. There was a problem that the focus position had to be confirmed, and it took time to detect the optimum focus position.

一方、従来技術(特許文献2)では、パターンの結像位置と観察光学系(CCDカメラ)のフォーカス位置が同じであるため、観察光学系が相対的に移動すると、被測定物の測定面のコントラストに影響されて、フォーカスを合わせることができない虞があった。
そして、この方法では、被測定物が移動する場合、被測定物の測定面が傾いていたり、うねっている場合は、最初に測定位置においてフォーカスを合わせても次の測定箇所ではフォーカスが大きくずれてしまい、フォーカスを合わせるための観察光学系の移動方向が全くわからなくなるため、オートフォーカスの制御速度が遅くなってしまう問題があった。
On the other hand, in the prior art (Patent Document 2), since the pattern image formation position and the focus position of the observation optical system (CCD camera) are the same, if the observation optical system moves relatively, the measurement surface of the object to be measured is moved. There is a possibility that the focus cannot be adjusted due to the influence of contrast.
In this method, when the object to be measured moves, if the measurement surface of the object to be measured is tilted or wavy, even if the focus is first adjusted at the measurement position, the focus is greatly shifted at the next measurement point. As a result, the direction of movement of the observation optical system for focusing is completely unknown, and there is a problem that the control speed of autofocus is slowed down.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、構造が簡単でありかつ高速のオートフォーカスを実現しようとするオートフォーカス装置およびオートフォーカス方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an autofocus apparatus and an autofocus method that have a simple structure and are intended to realize high-speed autofocus.

本発明は、前記課題を解決するために、以下の点を特徴としている。
即ち、請求項1に係るオートフォーカス装置は、被測定物に対向する対物レンズと、該対物レンズを介して被測定物の像を撮像する一つの撮像手段とを有する撮像光学系と、該撮像光学系を前記対物レンズの光軸方向に変位させる駆動機構と、前記撮像光学系で撮像された前記被測定物の像に基づいて前記駆動機構を駆動制御する制御手段とを備えたオートフォーカス装置であって、前記対物レンズを介して二つの投影パターンを前記被測定物の測定面に投影する投影光学系を備え、投影される前記二つの投影パターンのそれぞれの結像位置は、共に前記撮像光学系のフォーカス位置の上方または下方であって、前記対物レンズの光軸方向及び該光軸に直角な方向の異なる位置であり、前記制御手段は、前記撮像光学系で取得された前記二つの投影パターンの各投影画像のコントラストの大小を比較し、二つの前記投影画像の一方のコントラストが最大となる第1の結像位置と他方のコントラストが最大となる第2の結像位置の間に前記測定面が位置するように、前記撮像光学系の変位を制御するサーチ動作手段と、前記撮像光学系を一方向に変位させて前記測定面の位置を前記撮像光学系のフォーカス位置に合わせるフォーカス動作手段とを備えることを特徴としている。
The present invention is characterized by the following points in order to solve the above problems.
That is, an autofocus device according to a first aspect of the present invention includes an imaging optical system having an objective lens that faces the object to be measured, and one imaging unit that captures an image of the object to be measured via the objective lens, and the imaging An autofocus device comprising: a drive mechanism that displaces an optical system in the optical axis direction of the objective lens; and a control unit that drives and controls the drive mechanism based on an image of the object to be measured captured by the imaging optical system A projection optical system for projecting two projection patterns onto the measurement surface of the object to be measured via the objective lens, and the imaging positions of the two projection patterns to be projected are both the imaging a upward or downward of the focus position of the optical system, wherein a different positions in a direction perpendicular to the optical axis and the optical axis of the objective lens, wherein, the two obtained by the imaging optical system Comparing the magnitudes of the contrasts of the projection images of the projection pattern, between the first imaging position where the contrast of one of the two projection images is maximum and the second imaging position where the contrast of the other is maximum Search operation means for controlling the displacement of the imaging optical system so that the measurement surface is located, and a focus for displacing the imaging optical system in one direction so that the position of the measurement surface matches the focus position of the imaging optical system And an operating means .

請求項2に係るオートフォーカス方法は、請求項1記載のオートフォーカス装置を使用し、前記撮像光学系を被測定物に対してフォーカスさせる方法であって、前記被測定物の少なくとも一つの設定箇所を前記対物レンズの直下に位置させ、前記二つの投影パターンを前記測定面に投影する工程と、前記撮像光学系を前記光軸方向に沿って移動させながら前記撮像手段によって前記二つの投影パターンの明るさに関するデータのそれぞれの最大値を求める工程と、前記それぞれの最大値に対応した前記対物レンズの光軸方向位置の間に前記設定箇所が挟まれた状態になるように、前記撮像光学系を前記光軸方向に移動させる工程と、前記設定箇所が前記対物レンズの光軸方向位置の間に挟まれた状態を保ちつつ、前記設定箇所から測定箇所まで前記撮像光学系を、前記被測定物に平行に相対移動させる工程と、その時点における前記撮像光学系の前記光軸上の位置から前記撮像光学系のフォーカス位置に前記撮像光学系を移動させる工程とを順次行うことを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an autofocus method for using the autofocus device according to the first aspect of the invention to focus the imaging optical system with respect to an object to be measured, wherein at least one set location of the object to be measured Is positioned directly below the objective lens, and the two projection patterns are projected onto the measurement surface, and the imaging means moves the imaging optical system along the optical axis direction while the two projection patterns The imaging optical system such that the setting portion is sandwiched between a step of obtaining each maximum value of data relating to brightness and an optical axis direction position of the objective lens corresponding to each maximum value. a step of the Before moving to the optical axis direction while maintaining a state where the setting portion is sandwiched between the optical axis position of the objective lens, the measurement point or from the setting position The imaging optical system, wherein the steps of Ru is relatively moved parallel to the object to be measured moves the imaging optical system in the focus position of the imaging optical system from a position on the optical axis of the imaging optical system at that time The process is performed sequentially .

本発明は以下の優れた効果を奏する。
請求項1に係る発明によれば、対物レンズの光軸方向で結像位置は異なる二つの投影パターンにて、その被測定物上における投影画像のコントラストの差が所定の範囲となるように自動制御するものとしたことにより、被測定物の表面と撮像手段の前記対物レンズの光学的距離を所定の範囲内に容易に保持することができる。
The present invention has the following excellent effects.
According to the first aspect of the invention, two projection patterns having different imaging positions in the optical axis direction of the objective lens are automatically used so that the contrast difference of the projected image on the object to be measured falls within a predetermined range. By controlling, the optical distance between the surface of the object to be measured and the objective lens of the imaging means can be easily maintained within a predetermined range.

そして、前記二つの投影パターンのそれぞれの結像位置が前記撮像光学系のフォーカス位置の上方または下方にあるため、前記撮像光学系は被測定物の測定面に対しデフォーカスな状態で、前記測定面上の前記二つの投影パターンのコントラストを取得でき、前記測定面のコントラストの影響を受けずに前記撮像光学系と前記測定面との光学的距離を所定の範囲内に保持することができる。 And since each image formation position of the two projection patterns is above or below the focus position of the imaging optical system, the imaging optical system is in the defocused state relative to the measurement surface of the object to be measured. The contrast between the two projection patterns on the surface can be acquired, and the optical distance between the imaging optical system and the measurement surface can be maintained within a predetermined range without being affected by the contrast of the measurement surface.

請求項2係る発明によれば、前記制御手段による前記撮像光学系の変位の制御は、前記被測定物と撮像光学系とが相対的に移動中に実行されるものとしたことにより、被測定物の測定面のうねり等に撮像光学系を追従させて、前記撮像光学系と前記測定面との光学的距離を所定の範囲内に保持することができる。したがって、測定範囲が広くてもオートフォーカスを高速に実行することができる。 According to the invention of claim 2, the control of the displacement of the imaging optical system by the control means is executed while the object to be measured and the imaging optical system are relatively moving, The optical distance between the imaging optical system and the measurement surface can be maintained within a predetermined range by causing the imaging optical system to follow the undulation of the measurement surface of the object. Therefore, even when the measurement range is wide, autofocus can be executed at high speed.

以下、本発明の一実施の形態に係るオートフォーカス装置およびオートフォーカス方法について、添付図面に基づいて詳細に説明する。
まず、図1は本発明の一実施の形態に係るオートフォーカス装置を示す概念図である。このオートフォーカス装置1は、被測定物7に対するフォーカスを自動制御するものであり、特に被測定物7の移動に伴う測定面7aの変位に追従してフォーカスの自動制御を可能にしている。そして、このオートフォーカス装置1は、撮像光学系2と、投影光学系3と、照明光学系4と、駆動機構5と、制御手段6を備えている。
Hereinafter, an autofocus device and an autofocus method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
First, FIG. 1 is a conceptual diagram showing an autofocus device according to an embodiment of the present invention. The autofocus device 1 automatically controls the focus on the object 7 to be measured, and particularly enables automatic control of the focus following the displacement of the measurement surface 7a accompanying the movement of the object 7 to be measured. The autofocus device 1 includes an imaging optical system 2, a projection optical system 3, an illumination optical system 4, a drive mechanism 5, and a control unit 6.

そして、撮像光学系2は、例えば検査装置のXYステージ1a上方に設けられて、XYステージ1aに載置された被測定物7の測定面7aを撮像するものであり、測定面7aに対向した対物レンズ8aと同軸に配置された結像レンズ8bとからなるレンズユニット8を介して取得される測定面7aの画像を光電変換して出力する撮像手段(CCDカメラ)9とを備える他、レンズユニット8の上方に配置され撮像光学系2の光路と後述する投影光学系3の光路を分離する第1のハーフミラー10と、ハーフミラー10とCCDカメラ9の間に設けられハーフミラー10によって分離された光路をCCDカメラ9側に偏向する第1のミラー11と、対物レンズ8aと結像レンズ8bの間に配置され撮像光学系2及び投影光学系3の光路と後述する照明光学系4の光路とを分離する第2のハーフミラー12とを有している。そして撮影光学系2は後述する駆動機構5によってレンズユニット8の光軸方向に変位可能にされたベース14に設けられている。 The imaging optical system 2 is provided, for example, above the XY stage 1a of the inspection apparatus, and images the measurement surface 7a of the measurement object 7 placed on the XY stage 1a , and faces the measurement surface 7a. In addition to an image pickup means (CCD camera) 9 that photoelectrically converts and outputs an image of the measurement surface 7a acquired via the lens unit 8 including the objective lens 8a and the imaging lens 8b arranged coaxially, and a lens A first half mirror 10 disposed above the unit 8 and separating an optical path of the imaging optical system 2 and an optical path of the projection optical system 3 described later, and provided between the half mirror 10 and the CCD camera 9 and separated by the half mirror 10. a first mirror 11 that deflected the light path to the CCD camera 9 side, is arranged between the objective lens 8a and the imaging lens 8b be described later and the optical path of the imaging optical system 2 and the projection optical system 3 And a second half-mirror 12 for separating the optical path of the illumination optical system 4. The photographing optical system 2 is provided on a base 14 that can be displaced in the optical axis direction of the lens unit 8 by a driving mechanism 5 described later.

また、ベース14には投影光学系3が設けられている。この投影光学系3は、レンズユニット8の光軸方向で結像位置が異なる同一形状の二つの投影パターンを被測定物7の測定面7aにレンズユニット8を介して投影するものであり、第2のハーフミラー10からレンズユニット8を通って被測定物7の測定面7aに至る光路を撮像光学系2の光路と共通とし、第2のハーフミラー10によって分離されて測定面7aから真直ぐ伸びる光路上の異なる位置に上記投影パターンをそれぞれ形成した第1及び第2のマスク15、16を配置している。そして、第1及び2のマスク15、16の上方にパターン投影用光源17を備えている。 The base 14 is provided with a projection optical system 3. This projection optical system 3 projects two projection patterns having the same shape with different imaging positions in the optical axis direction of the lens unit 8 onto the measurement surface 7a of the object 7 to be measured via the lens unit 8. The optical path from the second half mirror 10 through the lens unit 8 to the measurement surface 7a of the object 7 to be measured is made common with the optical path of the imaging optical system 2, and is separated by the second half mirror 10 and extends straight from the measurement surface 7a. First and second masks 15 and 16 each having the projection pattern formed thereon are arranged at different positions on the optical path. A pattern projection light source 17 is provided above the first and second masks 15 and 16.

また、第1及び2のマスク15及び16は、図2に示すように、長方形の透明基板25の長手方向に二分割して得られた一方の側の領域に遮光膜26を形成し、その略中央に光を透過する円形の投影パターン26a、26bを形成したものである。そして、マスク15、16がそれぞれの投影パターン26a、26bが光軸方向で重ならないように互いに横方向(光軸に直角な方向)にずれた位置に配置されており、CCDカメラ9で撮像された、投影パターン26a、26bの投影画像Ia、Ibの像が、図3のようにCCDカメラ9の視野内に同時に横方向に所定の間隔を隔ててそれぞれ結像されるようになっており、CCDカメラ9の視野内の投影画像Ia、Ibの像を含む所定のエリアα、エリアβをそれぞれ設定し、エリアα、βをコントラスト値を演算するエリアとしている。 Further, as shown in FIG. 2, the first and second masks 15 and 16 form a light-shielding film 26 in a region on one side obtained by dividing the rectangular transparent substrate 25 in the longitudinal direction. Circular projection patterns 26a and 26b that transmit light are formed substantially at the center. The masks 15 and 16 are arranged at positions shifted from each other in the lateral direction (direction perpendicular to the optical axis) so that the projection patterns 26a and 26b do not overlap in the optical axis direction. Further, the projection images Ia and Ib of the projection patterns 26a and 26b are respectively formed in the visual field of the CCD camera 9 at a predetermined distance in the horizontal direction as shown in FIG. Predetermined areas α and β including the projected images Ia and Ib in the field of view of the CCD camera 9 are set, and the areas α and β are used as areas for calculating contrast values.

さらにまた、マスク15、16の投影パターン26a、26bのレンズユニット8の光軸上の結像位置(Z2、Z3)は図4に示すようにCCDカメラ9のフォーカスの位置Z1より下方にあるようにマスク15、16が配置されており、CCDカメラ9が測定面7aに対してフォーカス位置にあるとき、第1のマスク15の投影画像Iaの像Ia3及び第2のマスク16の投影画像Ibの像Ib3は測定面7aに対してアンフォーカスの状態になる。 Furthermore, the imaging positions (Z2, Z3) on the optical axis of the lens unit 8 of the projection patterns 26a, 26b of the masks 15, 16 are below the focus position Z1 of the CCD camera 9, as shown in FIG. And when the CCD camera 9 is in the focus position with respect to the measurement surface 7a, the image Ia3 of the projection image Ia of the first mask 15 and the projection image Ib of the second mask 16 are displayed. The image Ib3 is unfocused with respect to the measurement surface 7a.

逆に、第1のマスク15の投影パターン26aの投影画像Iaが像Ia2として測定面7a上に結像しているときは、第2のマスク16の投影パターン26bの投影画像Ibの像Ib2は測定面7aに対してアンフォーカスの状態で、CCDカメラ9も測定面7aに対してアンフォーカスになる。
また、第2のマスク16の投影パターン26bの投影画像Ibが像Ib1として測定面7a上に結像しているときは、第1のマスク15の投影パターン26aの投影画像Iaの像Ia1は測定面7aに対してアンフォーカスの状態で、CCDカメラ9も測定面7aに対してアンフォーカスになる。
Conversely, when the projection image Ia of the projection pattern 26a of the first mask 15 is imaged on the measurement surface 7a as the image Ia2, the image Ib2 of the projection image Ib of the projection pattern 26b of the second mask 16 is in the state of the unfocused to the measuring surface 7a, CCD camera 9 also becomes unfocused to the measurement surface 7a.
When the projection image Ib of the projection pattern 26b of the second mask 16 is imaged on the measurement surface 7a as the image Ib1, the image Ia1 of the projection image Ia of the projection pattern 26a of the first mask 15 is measured. in the state of the unfocused to the plane 7a, CCD camera 9 also becomes unfocused to the measurement surface 7a.

そこで、CCDカメラ9が測定面7aに対してアンフォーカスの状態で、マスク15、16の投影パターン26a、26bの投影画像Ia、IbをCCDカメラ9で撮像し、エリアα、β内における投影画像Ia、Ibのコントラスト値の大小を比較し、その大小関係が所定の範囲(図6)となる位置に撮像光学系2を変位させることにより、測定面7aの影響を受けずに測定面7aを投影パターン26a、26bの結像位置Z2、Z3の間に維持できる。 Therefore, with the CCD camera 9 unfocused with respect to the measurement surface 7a, the projection images Ia and Ib of the projection patterns 26a and 26b of the masks 15 and 16 are picked up by the CCD camera 9, and the projection images in the areas α and β are captured. By comparing the contrast values of Ia and Ib and displacing the imaging optical system 2 to a position where the magnitude relationship falls within a predetermined range (FIG. 6), the measurement surface 7a is not affected by the measurement surface 7a. It can be maintained between the imaging positions Z2 and Z3 of the projection patterns 26a and 26b.

さらに、ベース14には、被測定物7の測定面7aに形成されている被検査パターン等を照明して、CCDカメラ9で撮像可能にするための照明光学系4が設けられている。この照明光学系4は第2のハーフミラー12から対物レンズ8Aを通って測定面7Aに至る光路を撮像光学系2の光路と共通とし、第2のハーフミラー12によって撮像光学系2の光軸から分離された光路上に第2のミラー13と観察用光源18とが配置されている。 Further, the base 14 is provided with an illumination optical system 4 for illuminating an inspection pattern or the like formed on the measurement surface 7a of the object 7 to be measured so that the CCD camera 9 can take an image. The illumination optical system 4 shares the optical path from the second half mirror 12 through the objective lens 8A to the measurement surface 7A with the optical path of the imaging optical system 2, and the optical axis of the imaging optical system 2 by the second half mirror 12. The second mirror 13 and the observation light source 18 are disposed on the optical path separated from the light source.

また、ベース14には駆動機構5が設けられており、この駆動機構5はベース14をレンズユニット8の光軸方向に変位させるものであり、ベース14を移動可能にする移動機構部5aと、移動機構部5aを駆動するモータ5bとからなり、モータ5bはモータドライバ5cによって駆動されるようになっている。 In addition, the base 14 is provided with a drive mechanism 5, which displaces the base 14 in the direction of the optical axis of the lens unit 8, and a moving mechanism 5 a that allows the base 14 to move, The motor 5b drives the moving mechanism 5a, and the motor 5b is driven by a motor driver 5c.

そして、CCDカメラ9と、パターン投影用光源17と、ベース14のレンズユニット8の光軸方向の位置を検出するZ軸センサ5dと、モータドライバ5cは制御手段6に接続されている。この制御手段6は、CCDカメラ9で取得された投影パターン26a、26bの投影画像Ia、Ibを含むエリアα、βのそれぞれのコントラスト値をそれぞれ独立して算出するようになっており、算出されたそれぞれのコントラスト値の大小を比較し、それらのコントラスト値の差が所定の範囲になるように駆動機構5のモータ5bを駆動制御するものであり、CCDカメラ9で取得された二つの投影画像Ia、Ibのコントラストに基づいて駆動機構5の駆動を制御するオートフォーカスユニット(以下、「AFユニット」という)27と、AFユニット27に対して各種命令を発するコントロールPC20とを含んで構成されている。 The CCD camera 9, the pattern projection light source 17, the Z-axis sensor 5 d for detecting the position of the lens unit 8 of the base 14 in the optical axis direction, and the motor driver 5 c are connected to the control means 6. The control means 6 calculates the contrast values of the areas α and β including the projection images Ia and Ib of the projection patterns 26a and 26b obtained by the CCD camera 9 independently. The contrast values are compared, and the motor 5b of the drive mechanism 5 is driven and controlled so that the difference between the contrast values is within a predetermined range. Two projection images acquired by the CCD camera 9 are controlled. An autofocus unit (hereinafter referred to as “AF unit”) 27 that controls the drive of the drive mechanism 5 based on the contrast of Ia and Ib, and a control PC 20 that issues various commands to the AF unit 27 are configured. Yes.

ここで、AFユニット27は、CCDカメラ9で取得したアナログの画像情報をデジタルに変換して出力するA/D変換器21とデジタル変換された上記画像情報を画像処理してエリアα、βのそれぞれのコントラスト値の比較を可能にするデータを出力する画像処理部22と、画像処理部22から出力されるデータに基づいて、エリアα、βのそれぞれのコントラスト値の差を算出し、その差が所定の範囲内になるようにモータ5Bを駆動する制御信号を出力する制御部23と、該制御信号に基づいてモータドライバ5cを制御するモータコントローラ28と、制御部23を介してコントロールPC20の命令に従ってパラーン投影用光源15をオンオフするライトコントローラ19とを備えている。 Here, the AF unit 27 converts the analog image information acquired by the CCD camera 9 into digital and outputs the digital image and the above-mentioned image information that has been digitally converted, and performs image processing on the areas α and β. Based on the data output from the image processing unit 22 that outputs data enabling comparison of the contrast values and the data output from the image processing unit 22, the difference between the contrast values of the areas α and β is calculated. Of the control PC 20 that outputs a control signal for driving the motor 5B, a motor controller 28 that controls the motor driver 5c based on the control signal, and the control PC 20 via the control unit 23. And a light controller 19 for turning on / off the light source 15 for paran projection according to a command.

次に前記構成のオートフォーカス装置の動作及びオートフォーカス方法について図7のフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップS1(第1サーチ動作)において、被測定物7が載置された前記測定装置のXYステージ1aの駆動手段を駆動し、被測定物7の選定された一つの設定箇所(ティーチング位置)が対物レンズ8Aの直下に位置するように移動させる。
そして照明光学系4の観察用光源18およびCCDカメラ9を作動させた後、駆動機構5のモータ5bを作動させ、前記被測定物7の選定された一つの設定箇所の表面に向かってベース14を一定速度で降下させて、CCDカメラ9のフォーカス位置についての第1のサーチ処理動作をおこなう。
Next, the operation and autofocus method of the autofocus device having the above configuration will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, in step S1 (first search operation), the driving means of the XY stage 1a of the measuring apparatus on which the object to be measured 7 is placed is driven to select one set position (teaching position) of the object 7 to be measured. ) So that it is positioned directly below the objective lens 8A.
Then, after the observation light source 18 and the CCD camera 9 of the illumination optical system 4 are operated, the motor 5b of the drive mechanism 5 is operated, and the base 14 is directed toward the surface of one selected setting location of the object 7 to be measured. Is lowered at a constant speed, and the first search processing operation for the focus position of the CCD camera 9 is performed.

上記第1のサーチ処理動作においては、ベース14を前記被測定物7の選定された一つの設定箇所の表面に向かって一定の微速で降下させる間にCCDカメラ9によって上記設定箇所の表面が連続的に撮影して得られた画像データがA/D変換器21、画像処理部22を介して、制御部23において、ベース14のZ軸方向位置検知器5dで検出されるベース14のZ軸方向位置(図5参照)と対応したコントラスト値が算出されて、前記被測定物7の設定箇所の表面の明るさに関するデータが作成される。 In the first search processing operation, the surface of the set point is continuously provided by the CCD camera 9 while the base 14 is lowered at a constant slow speed toward the surface of the selected set point of the object 7 to be measured. The Z-axis of the base 14 is detected by the control unit 23 by the Z-axis direction position detector 5d of the base 14 through the A / D converter 21 and the image processing unit 22. A contrast value corresponding to the direction position (see FIG. 5) is calculated, and data relating to the brightness of the surface of the set location of the DUT 7 is created.

その後、前記被測定物7の設定箇所の表面の明るさに関するデータから更に前記明るさに関するデータの分布(図5)が演算され、さらにその最大値(AFVmax1)がCCDカメラ9の被測定物7の測定面7aに対する最適フォーカス位置として求められる。
尚、前記明るさに関するデータとは、CCDカメラ9によって得られたベース14のZ軸方向の各撮像位置における被測定物7の測定面7aの画像データをAFユニット27で処理して、被測定物7の画像内に存在する明部と暗部のコントラスト差を数値化したデータ(以下、「AFV」という)を意味する。
Thereafter, the distribution of the data relating to the brightness (FIG. 5) is further calculated from the data relating to the brightness of the surface of the set location of the object 7 to be measured, and the maximum value (AFVmax1) is further calculated. It is calculated | required as an optimal focus position with respect to the measurement surface 7a .
The data relating to the brightness is obtained by processing the image data of the measurement surface 7a of the measurement object 7 at each imaging position in the Z-axis direction of the base 14 obtained by the CCD camera 9 with the AF unit 27, and measuring the measurement object. It means data (hereinafter referred to as “AFV”) in which the contrast difference between the bright part and the dark part existing in the image of the object 7 is digitized.

次に、ステップS2(第2サーチ動作)において、前記の最適フォーカス位置にベース14を変位した後、観察用光源18を消灯し、パターン投影用光源17を点灯させて、駆動機構5のモータ5bを作動させ、ベース14を一定速度で上昇させて、マスク15、16による第2フォーカス位置の第2サーチ処理動作をおこなう。
この第2サーチ処理動作においては、ベース14が前記Z軸方向に一定の微速で上昇される間にCCDカメラ9によって被測定物7の測定面7aに投影されたマスク15、16の投影パターン26a、26bの投影画像Ia、Ibを含むエリアα、βを連続的に撮影することにより得られた画像データがA/D変換器21、画像処理部22を介して、制御部23において、ベース14のZ軸方向位置検知器5dで検出されるベース14のZ軸方向位置(図6参照)と対応したコントラスト値が算出されて、前記被測定物7の設定箇所の表面の明るさに関するデータが作成される。
Next, in step S2 (second search operation), after displacing the base 14 to the optimum focus position, the observation light source 18 is turned off, the pattern projection light source 17 is turned on, and the motor 5b of the drive mechanism 5 is turned on. , The base 14 is raised at a constant speed, and the second search processing operation of the second focus position by the masks 15 and 16 is performed.
In this second search processing operation, the projection pattern 26a of the masks 15 and 16 projected onto the measurement surface 7a of the DUT 7 by the CCD camera 9 while the base 14 is raised at a constant fine speed in the Z-axis direction. , 26b, the image data obtained by continuously photographing the areas α, β including the projected images Ia, Ib is transmitted to the base 14 in the control unit 23 via the A / D converter 21 and the image processing unit 22. A contrast value corresponding to the Z-axis direction position (see FIG. 6) of the base 14 detected by the Z-axis direction position detector 5d is calculated, and data relating to the brightness of the surface of the set location of the DUT 7 is obtained. Created.

また、CCDカメラ9の画像データに基づいて得られるエリアα、βの明るさに関するデータ(AFV)の分布は図2に示すように第1のマスク15と第2のマスク16とが対物レンズの光軸方向に前記一定の距離γだけ隔てられている関係で、ベース14のZ軸方向位置検知器5dの数値で示される前記Z軸方向の第1のマスク15と第2のマスク15の投影用パターン26a、26bの結像位置Z2、Z3において、それぞれ最大(AFVmax2)となって現われており、このZ2、Z3が第1のマスク15と第2のマスク16の結像位置となっている。 Further, the distribution of the data (AFV) relating to the brightness of the areas α and β obtained based on the image data of the CCD camera 9 is such that the first mask 15 and the second mask 16 of the objective lens are as shown in FIG. The projections of the first mask 15 and the second mask 15 in the Z-axis direction indicated by the numerical values of the Z-axis direction position detector 5d of the base 14 in the relationship of being separated by the constant distance γ in the optical axis direction. At the image forming positions Z2 and Z3 of the patterns 26a and 26b, the maximum (AFVmax2) appears, and these Z2 and Z3 are the image forming positions of the first mask 15 and the second mask 16 . .

次に、駆動機構5のモータ5bを作動させて、ベース14を変位させ、被測定物7の測定面7aを前記Z2とZ3の間に位置させる。 Next, the motor 5b of the drive mechanism 5 is operated to displace the base 14, and the measurement surface 7a of the object 7 to be measured is positioned between Z2 and Z3 .

次に、ステップS3(追従動作)において、前記測定装置のXYステージ1aの駆動手段により、対物レンズ8aの直下に前記被測定物7の測定箇所が位置するように被測定物7が移動される。
この移動中に、CCDカメラ9のエリアα、βの画像データに基づいて得られるAFVユニット27で作成され、その際、被測定物7が例えば図8に示すように右上がりに傾いている場合は、CCDカメラ9のエリアα、βの画像データに基づいて得られたAFVが互いに異なる(エリアαの方のAVFがエリアβの方のAVFより大きくなる)ので、それらのAFVの差が画像処理部24で演算されてその差が所定の範囲内となるように制御部23の指令によって駆動機構5のモータ5bが作動し、ベース14が図8で上方に移動するため、被測定物7の測定面7aが前記結像位置Z2とZ3の間に維持される。
Next, in step S3 (follow-up operation), the device to be measured 7 is moved by the driving means of the XY stage 1a of the measuring device so that the measurement location of the device to be measured 7 is located directly below the objective lens 8a. .
During this movement, the AFV unit 27 obtained based on the image data of the areas α and β of the CCD camera 9 is used, and the measured object 7 is tilted upward as shown in FIG. 8, for example. Since the AFVs obtained based on the image data of the areas α and β of the CCD camera 9 are different from each other (the AVF in the area α is larger than the AVF in the area β), the difference between the AFVs is the image. The motor 5b of the drive mechanism 5 is operated by an instruction from the control unit 23 so that the difference calculated by the processing unit 24 falls within a predetermined range, and the base 14 moves upward in FIG. The measurement surface 7a is maintained between the imaging positions Z2 and Z3 .

一方、被測定物7が右下がりに傾いている場合は、上記とは逆にエリアαの方のAVFがエリアβの方のAVFより小さくなるため、ベース14を上記の場合とは逆の方向に変位させ、また被測定物7が傾いていない場合はベース14はZ軸方向に移動されず初期位置で維持されて、常に、被測定物7の測定面7Aが前記結像位置Z2とZ3の間に維持される。 On the other hand, when the DUT 7 is inclined to the right, the AVF in the area α is smaller than the AVF in the area β, contrary to the above, and the base 14 is in the direction opposite to the above case. When the object 7 to be measured is not tilted, the base 14 is not moved in the Z-axis direction but is maintained at the initial position, and the measurement surface 7A of the object 7 to be measured is always at the imaging positions Z2 and Z3. Maintained during.

更に、ステップ4(詳細フォーカス動作)において、前記被測定物7の測定箇所において同測定面7aの被検査パターンにCCDカメラ9のフォーカスを最適に合わせにあたり、まず、パターン投影手段3の投影用光源17を消灯して、ついで照明光学系4の照明用光源18を点灯して、被測定物7の表面に照明用の光を照射する。
そして、ベース14を被測定物7の測定面7aに向けて降下させて、CCDカメラ9Aのフォーカス位置を被検査パターンの表面に合わせる。
この場合、被測定物7の測定面7aが前記結像位置Z2とZ3の間に維持されているため、ベース14を被測定物7の測定面7aに向けて降下させる。
Further, in step 4 (detailed focus operation), in order to optimally focus the CCD camera 9 on the inspection pattern on the measurement surface 7a at the measurement location of the object 7 to be measured, first, the projection light source of the pattern projection means 3 is used. 17 is turned off, and then the illumination light source 18 of the illumination optical system 4 is turned on to irradiate the surface of the DUT 7 with illumination light.
Then, the base 14 is lowered toward the measurement surface 7a of the object 7 to be measured, and the focus position of the CCD camera 9A is adjusted to the surface of the pattern to be inspected.
In this case, since the measurement surface 7a of the object 7 to be measured is maintained between the imaging positions Z2 and Z3 , the base 14 is lowered toward the measurement surface 7a of the object 7 to be measured.

その際、ベース14を被測定物7の測定面7aに向けて降下させながら、CCDカメラ9により観察用光源18の光が照射された測定面7aの被検査パターンの表面の画像データを連続的に取り込み、その画像データに基づいて、上述のステップS1と同様にAFVmax1を求め、AFVmax1となる位置にベース14を変位させることによって、CCDカメラ9のフォーカス位置をより正確に被測定物7の測定面7aの被検査パターンの表面に合わせる動作が終了する。 At that time, the image data of the surface of the pattern to be inspected on the measurement surface 7 a irradiated with the light from the observation light source 18 by the CCD camera 9 is continuously taken while the base 14 is lowered toward the measurement surface 7 a of the object 7 to be measured. Then, based on the image data, AFVmax1 is obtained in the same manner as in step S1 described above, and the base 14 is displaced to a position where AFVmax1 is obtained, so that the focus position of the CCD camera 9 can be measured more accurately. The operation of matching the surface 7a with the surface of the pattern to be inspected is completed.

なお、ステップ4において、被測定物7の測定面7aが第1のマスク15と第2のマスク16の投影用パターン26a、26bの結像位置Z2とZ3の間に維持されながら、前記測定装置のXYステージ1aの駆動手段により、対物レンズ8Aの直下に前記被測定物7の測定箇所が位置するように被測定物7が移動されるため、対物レンズ8Aの直下に前記被測定物7の測定箇所が位置した際に、CCDカメラ9と被測定物7の測定面7aの光学的距離がZ軸センサ5dによって測定されているため、その値からCCDカメラ9のフォーカス位置の距離を差し引いた分だけ、ベース14を被測定物7に近づけることによって容易にCCDカメラ9の最適フォーカス位置に前記被測定物7の測定面7aの被検査パターン表面を位置させることができる。 In step 4, the measurement device 7 is maintained while the measurement surface 7a of the object 7 to be measured is maintained between the imaging positions Z2 and Z3 of the projection patterns 26a and 26b of the first mask 15 and the second mask 16. The XY stage 1a driving means moves the measured object 7 so that the measurement location of the measured object 7 is positioned directly below the objective lens 8A. Therefore, the measured object 7 is positioned directly below the objective lens 8A. Since the optical distance between the CCD camera 9 and the measurement surface 7a of the object 7 to be measured is measured by the Z-axis sensor 5d when the measurement location is located, the distance of the focus position of the CCD camera 9 is subtracted from that value. Accordingly, the surface of the pattern to be inspected on the measurement surface 7 a of the object to be measured 7 can be easily positioned at the optimum focus position of the CCD camera 9 by moving the base 14 closer to the object to be measured 7. Kill.

更にまた、ステップ5(終了動作)において、被測定物7の1つの測定箇所におけるCCDカメラ9のフォーカス合わせの動作(オートフォーカス動作)と撮影が終了後、被測定物7の他の測定すべき箇所があるか否かがコントロールPC20の指令から判断され、他の測定箇所がある場合には、ステップ2、ステップ3が繰り返された後、被測定物7のすべての測定箇所に対するフォーカス合わせ動作と撮影が終了する。 Furthermore, in step 5 (end operation), after the focusing operation (autofocus operation) and photographing of the CCD camera 9 at one measurement location of the object 7 to be measured, another measurement of the object 7 to be measured should be performed. Whether or not there is a location is determined from the command of the control PC 20, and when there are other measurement locations, after step 2 and step 3 are repeated, the focusing operation for all measurement locations of the object 7 to be measured is performed. Shooting ends.

上述の実施の形態に係るオートフォーカス装置1によれば、被測定物7に対向するレンズユニット8の対物レンズ8aを介して被測定物7の像を撮像するCCDカメラ9と、CCDカメラ9を前記対物レンズ8aの光軸方向に変位させる駆動機構5と、CCDカメラ9で撮像された前記被測定物7の像に基づいて駆動機構5を駆動制御する制御手段6と、レンズユニット8の光軸方向で結像位置が異なる二つのマスク15、16の投影パターン26a、26bを被測定物7の測定面7aに投影する投影光学系3を備え、制御手段6によりCCDカメラ9で取得された二つの投影のパターン26a、26bのコントラストの大小を比較し、このコントラストの大小関係が所定の範囲となるようにCCDカメラ9をベース14と一体的に変位させる構成となっているため、
被測定物7の移動中においても測定面7aの表面の影響を受けずに前記AFVを求めることができ、測定面7aとCCDカメラ9の光学的距離を所定の範囲内に維持できるため、オートフォーカスが迅速、的確に行える。
According to the autofocus device 1 according to the above-described embodiment, the CCD camera 9 that captures an image of the object 7 to be measured via the objective lens 8a of the lens unit 8 that faces the object 7 to be measured, and the CCD camera 9 are provided. The drive mechanism 5 for displacing the objective lens 8a in the optical axis direction, the control means 6 for driving and controlling the drive mechanism 5 based on the image of the object 7 taken by the CCD camera 9, and the light of the lens unit 8 The projection optical system 3 for projecting the projection patterns 26 a and 26 b of the two masks 15 and 16 having different imaging positions in the axial direction onto the measurement surface 7 a of the object 7 to be measured is acquired by the control unit 6 with the CCD camera 9. The contrast levels of the two projection patterns 26a and 26b are compared, and the CCD camera 9 is displaced integrally with the base 14 so that the contrast relationship is within a predetermined range. For and has a configuration,
Since the AFV can be obtained without being influenced by the surface of the measurement surface 7a even while the object to be measured 7 is moving, the optical distance between the measurement surface 7a and the CCD camera 9 can be maintained within a predetermined range. Focus can be done quickly and accurately.

なお、本実施の形態に係るオートフォーカス装置1においては、ベース14を駆動機構5のモータ5bの作動によって、変位させているが、レンズユニット8の対物レンズ8aを被測定物7の測定面7aに対して変位させるようにしてもよい。
また、フィルタ15、16の投影用パターンを円形としているが、パターンの形状は、本発明の目的を達成するに十分な形状であればよく、特に、その形状は限られない。
また、本実施の形態に係るオートフォーカス方法においては、察用光源18を前記各ステップ(S1〜S5)において観察用光源17を点灯または消灯を行っているが、観察用光源18を前記各ステップ(S1〜S5)において常時点灯していてもよい。
さらに、
In the autofocus device 1 according to the present embodiment, the base 14 is displaced by the operation of the motor 5b of the drive mechanism 5, but the objective lens 8a of the lens unit 8 is measured on the measurement surface 7a of the object 7 to be measured. You may make it displace with respect to.
Moreover, although the projection pattern of the filters 15 and 16 is circular, the shape of the pattern may be a shape sufficient to achieve the object of the present invention, and the shape is not particularly limited.
In the autofocus method according to the present embodiment, the observation light source 18 is turned on or off in each step (S1 to S5), but the observation light source 18 is turned on in each step. In (S1 to S5), it may be constantly lit.
further,

本発明によるオートフォーカス装置の実施の形態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows embodiment of the autofocus apparatus by this invention. 上記オートフォーカス装置に使用される投影用パターンを形成した二つのマスクの構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the two masks which formed the pattern for projection used for the said auto-focus apparatus. 上記マスクの各投影用パターンの被測定物上での画像を示めす概念図である。It is a conceptual diagram which shows the image on the to-be-measured object of the pattern for each projection of the said mask. 上記マスクの各投影用パターンの各結像位置と撮像手段のフォーカス位置の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between each image formation position of each pattern for projection of the said mask, and the focus position of an imaging means. 被測定物のコントラスト値の分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows distribution of the contrast value of a to-be-measured object. 被測定物のコントラスト値の分布と上記マスクの各投影用パターンのコントラスト値の分布との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between distribution of the contrast value of to-be-measured object, and distribution of the contrast value of each pattern for projection of the said mask. 本発明によるオートフォーカス装置の動作及びオートフォーカス方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the operation | movement of the autofocus apparatus and autofocus method by this invention. 図7のオートフォーカス動作において、特に追従動作を示す説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram showing particularly a follow-up operation in the autofocus operation of FIG. 7.

1 オートフォーカス装置
2 撮像光学系
3 投影光学系
4 照明光学系
5 駆動機構
6 制御手段
7 被測定物
8 レンズユニット
9 撮像手段
15 第1のマスク
16 第2のマスク
26a、26b 第1、2のマスクの投影用パターン
Ia、Ib 投影画像
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Autofocus apparatus 2 Imaging optical system 3 Projection optical system 4 Illumination optical system 5 Drive mechanism 6 Control means 7 Measured object 8 Lens unit 9 Imaging means 15 1st mask 16 2nd mask 26a, 26b 1st, 2nd Mask projection patterns Ia, Ib Projected images

Claims (2)

被測定物に対向する対物レンズと、該対物レンズを介して被測定物の像を撮像する一つの撮像手段とを有する撮像光学系と、該撮像光学系を前記対物レンズの光軸方向に変位させる駆動機構と、前記撮像光学系で撮像された前記被測定物の像に基づいて前記駆動機構を駆動制御する制御手段とを備えたオートフォーカス装置であって、
前記対物レンズを介して二つの投影パターンを前記被測定物の測定面に投影する投影光学系を備え、
投影される前記二つの投影パターンのそれぞれの結像位置は、共に前記撮像光学系のフォーカス位置の上方または下方であって、前記対物レンズの光軸方向及び該光軸に直角な方向の異なる位置であり、
前記制御手段は、
前記撮像光学系で取得された前記二つの投影パターンの各投影画像のコントラストの大小を比較し、二つの前記投影画像の一方のコントラストが最大となる第1の結像位置と他方のコントラストが最大となる第2の結像位置の間に前記測定面が位置するように、前記撮像光学系の変位を制御するサーチ動作手段と、
前記撮像光学系を一方向に変位させて前記測定面の位置を前記撮像光学系のフォーカス位置に合わせるフォーカス動作手段とを備えることを特徴とするオートフォーカス装置。
An imaging optical system having an objective lens facing the object to be measured and one imaging means for capturing an image of the object to be measured via the objective lens, and displacing the imaging optical system in the optical axis direction of the objective lens An autofocus device comprising: a driving mechanism for controlling the driving mechanism based on an image of the measurement object imaged by the imaging optical system;
A projection optical system for projecting two projection patterns onto the measurement surface of the object to be measured via the objective lens;
The imaging positions of the two projected patterns to be projected are both above or below the focus position of the imaging optical system, and are different positions in the optical axis direction of the objective lens and in the direction perpendicular to the optical axis. And
The control means includes
Comparing the magnitudes of the contrasts of the projection images of the two projection patterns acquired by the imaging optical system, the first imaging position where the contrast of one of the two projection images is maximum and the contrast of the other are maximum Search operation means for controlling the displacement of the imaging optical system so that the measurement surface is located between the second imaging positions to be
An autofocus device comprising: a focus operation unit that displaces the imaging optical system in one direction to adjust a position of the measurement surface to a focus position of the imaging optical system .
請求項1記載のオートフォーカス装置を使用し、前記撮像光学系を被測定物に対してフォーカスさせる方法であって、
前記被測定物の少なくとも一つの設定箇所を前記対物レンズの直下に位置させ、前記二つの投影パターンを前記測定面に投影する工程と、
前記撮像光学系を前記光軸方向に沿って移動させながら前記撮像手段によって前記二つの投影パターンの明るさに関するデータのそれぞれの最大値を求める工程と
前記それぞれの最大値に対応した前記対物レンズの光軸方向位置の間に前記設定箇所が挟まれた状態になるように、前記撮像光学系を前記光軸方向に移動させる工程と、
前記設定箇所が前記対物レンズの光軸方向位置の間に挟まれた状態を保ちつつ、前記設定箇所から測定箇所まで前記撮像光学系を、前記被測定物に平行に相対移動させる工程と、
その時点における前記撮像光学系の前記光軸上の位置から前記撮像光学系のフォーカス位置に前記撮像光学系を移動させる工程とを順次行うことを特徴とするオートフォーカス方法。
A method of using the autofocus device according to claim 1 to focus the imaging optical system with respect to an object to be measured,
Projecting the two projection patterns onto the measurement surface by positioning at least one set point of the object to be measured directly under the objective lens ;
A step of determining the respective maximum values of the data relating to the brightness of the two projection pattern by the imaging means while moving along the imaging optical system in the optical axis direction,
As a state where the setting portion is sandwiched between the optical axis position of the objective lens corresponding to the maximum value of said respective, a step Before moving the imaging optical system in the optical axis direction,
While maintaining the state where the setting portion is sandwiched between the optical axis position of the objective lens, the imaging optical system to the measurement point from the set point, a step of Ru is parallel to the relative movement to said object to be measured,
And a step of sequentially moving the imaging optical system from a position on the optical axis of the imaging optical system at that time to a focus position of the imaging optical system.
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