JP5065189B2 - オートフォーカス装置 - Google Patents

Description

本発明は、オートフォーカス装置に関する。

従来、光学顕微鏡の焦点合わせを自動で行う硬さ試験機には、レーザーを使用してフォーカスを合わせるレーザーフォーカス法や、ＣＣＤカメラを使用して試料表面のコントラストを検出して、フォーカスを合わせるコントラスト法が知られている。

上述したレーザーフォーカス法では、コントラストの低いものにもフォーカスを合わせることが可能であるが、レーザーがあたっている点でしかフォーカスできない。また、装置自体が高価であり、当該装置を組み込むことにより、硬さ試験機の機構が複雑となる。一方、コントラスト法では、鏡面やガラス面などのコントラストの低いものにはフォーカスを合わせることが困難であった。

そして、上述したレーザーフォーカス法やコントラスト法の問題点を解決するオートフォーカス法として、グリッドフォーカスと呼ばれる、ワークの表面に結像する任意パターンを照明系の光路上に配置し、かかる任意パターンを測定面に投影してオートフォーカス値を計算し、オートフォーカス処理を行う手法が知られている（特許文献１、２参照）。
特開平９−３０４６８５号公報 特開２００４−２９０６９号公報

しかしながら、上記従来技術の場合、例えば、ワーク表面に引き目や傷が形成されている場合、ワークの表面に投影したパターンの選択によっては、そのワーク表面の引き目や傷によって計算されたオートフォーカス値と、ワークの表面に投影した任意パターンから計算されたオートフォーカス値と、が近似した値となる場合があり、その場合は、どちらのオートフォーカス値が、真の焦点位置を指し示すものであるのかが判別できず、フォーカス処理エラーとなり、上記オートフォーカス処理機能を備えた試験機器や測定機器が停止してしまうという問題があった。

本発明の課題は、ワーク表面の影響を受けずに、好適に焦点合わせを行うことができるオートフォーカス装置を提供することにある。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
試料表面を照射する光源と、
前記試料もしくは対物レンズの少なくとも一方を前記対物レンズの光軸に沿って移動させる移動手段と、
前記試料もしくは前記対物レンズの少なくとも一方を、前記移動手段により移動させて前記対物レンズの焦点合わせを行う自動焦点合わせ手段と、
を備えるオートフォーカス装置において、
前記試料表面に投影する任意のパターンを作成するパターン作成手段と、
前記試料表面に、前記パターン作成手段により作成された任意のパターンを投影するパターン投影手段と、
前記パターン投影手段により任意のパターンが投影された試料表面を画像として撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像より、周波数成分に基づく周波数解析を行い、前記周波数成分ごとのスペクトル強度を算出するスペクトル強度算出手段と、
予め前記任意のパターンに応じてスペクトル分布上のＤＣ成分から所定距離離れた位置を記憶する記憶手段と、
を備え、
前記自動焦点合わせ手段は、
前記試料もしくは前記対物レンズの少なくとも一方が前記移動手段により移動される度に、移動された位置で、前記スペクトル強度算出手段により算出される、前記記憶手段に記憶された前記ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回るか否かを判断する判断手段を有し、
前記判断手段により、前記ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回ると判断された場合に、前記移動された位置にて焦点を合わせることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載のオートフォーカス装置において、前記判断手段により、前記移動手段により移動された何れの位置においても、前記ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回ると判断されなかった場合に、前記試料表面に投影された任意のパターンとは異なるパターンを、前記パターン作成手段により作成することを促す旨を、所定の表示手段に表示させる表示制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載のオートフォーカス装置において、前記パターン作成手段は、前記任意のパターンのパターン形状、前記任意のパターンの周期、及び／又は前記任意のパターンの方向角のうち少なくともいずれか一つを指定できることを特徴とする。

本発明によれば、パターン作成手段により、試料表面に投影する任意のパターンを作成することができる。そして、パターン投影手段によりその任意のパターンを投影し、撮像手段により任意のパターンが投影された試料表面が画像として撮像されると、その画像に基づいて、スペクトル強度算出手段により周波数成分に基づく周波数解析を行い、その周波数成分ごとのスペクトル強度が算出される。そして、自動焦点合わせ手段により、試料もしくは対物レンズの少なくとも一方が移動手段により移動される度に、スペクトル強度算出手段により算出される、ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回るか否かが、判断手段によって判断され、上回ると判断された場合に、その移動された位置にて焦点を合わせることができる。
従って、ユーザは事前にワーク表面に形成された引き目や傷と任意のパターンが重なり合わないように任意のパターンを作成し、その任意のパターンが投影された試料表面に対する周波数解析に基づいて、焦点を合わせることが出来るので、フォーカス処理エラーを確実に防止することが出来る。
つまり、本発明にかかるオートフォーカス装置は、ワーク表面の影響を受けずに、好適に焦点合わせを行うことができるオートフォーカス装置であるといえる。

以下、本発明の実施の形態を図１から図９に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るオートフォーカス装置としての硬さ試験機１００の全体構成を示す斜視図であり、図２は、硬さ試験機１００の試験機本体１０を示す模式図であり、図３は、試験機本体１０の硬さ測定部１を示す模式図であり、図４は、硬さ試験機１００の主要動作に必要な構成を示すブロック図であり、図５は試料Ｓの表面の模式図で、（ａ）は試料Ｓの表面に縦向きに縞状の引き目パターンが形成された状態を、（ｂ）は試料Ｓの表面に横向きに縞状の引き目パターンが形成された状態を示しており、図６は試料Ｓの表面に任意のパターンを投影した状態を示す模式図で、（ａ）は、図５（ａ）の引き目パターン上に斜めの縞状のパターンを投影した状態を、（ｂ）は図５（ｂ）の引き目パターン上に斜めの縞状のパターンを投影した状態を示しており、図７は本発明に係る任意のパターンの変形例を示す図であり、（ａ）は任意のパターンを所定角度回転させて投影させた状態を、（ｂ）は（ａ）のパターンよりも間隔の広いパターンを投影した状態を示し、図８は、試料Ｓの表面上で周波数解析を行った結果を示す模式図であり、（ａ）は図６（ａ）のスペクトル分布を、（ｂ）は図６（ｂ）のスペクトル分布を、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ´線上のスペクトル分布を、（ｄ）は（ｂ）のＡ−Ａ´線上のスペクトル分布を示しており、図９は、本発明に係る自動焦点合わせ方法に関するフローチャートである。
なお、図１における試験機本体１０の左右方向をＸ方向、前後方向をＹ方向、高さ方向をＺ方向とする。

硬さ試験機１００は、例えば、図１、２に示すように、試験機本体１０を有し、試験機本体１０は、硬さ測定部１と、試料Ｓを載置する試料台２と、試料台２を移動させるＸＹステージ３と、試料Ｓの表面に焦点を合わせるためのＡＦ（Ｚ）ステージ４と、試料台２（ＸＹステージ３、ＡＦ（Ｚ）ステージ４）を昇降する昇降機構部５等を備えている。また、硬さ試験機１００は試験機本体１０の外部に、制御部６と、操作部７と、モニタ８等を備えている。

硬さ測定部１は、例えば、図３に示すように、試料Ｓの表面を照明する照明装置１１と、試料Ｓの表面を撮像するＣＣＤカメラ１２と、試料Ｓの表面に任意のパターンを投影するためのパターン投影部１３と、圧子１４ａを備える圧子軸１４と対物レンズ１５を備え、回転することにより圧子軸１４と対物レンズ１５との切り替えが可能なターレット１６等により構成されている。

照明装置１１は、光を照射することにより試料Ｓの表面を照明するものであり、照明装置１１から照射される光は、レンズ１ａ、レンズ１ｂ、レンズ１ｃ、ハーフミラー１ｄ、ミラー１ｅ、対物レンズ１５を介して試料Ｓの表面に到達する。
これにより、照明１１は、光源として機能する。

ＣＣＤカメラ１２は、対物レンズ１５、ミラー１ｅ、ハーフミラー１ｄ、レンズ１ｆ、ミラー１ｇ、及びレンズ１ｈを介して、試料Ｓの表面からの反射光に基づき、当該試料Ｓの表面の所定の撮像範囲を撮像して、画像データを取得し、複数フレームの画像データを同時に蓄積、格納可能なフレームグラバ１７を介して、制御部６に出力される。
また、ＣＣＤカメラ１２は、後述のパターン投影プログラム６３ｂの実行により試料Ｓの表面に任意のパターンが投影されると、その任意のパターンの投影された試料Ｓの表面を画像として撮像する撮像手段として機能している。

パターン投影部１３は、レンズ１ｂとレンズ１ｃとの間に配置された液晶パネル１３ａと、液晶パネル１３ａを駆動するＬＣＤドライバ１３ｂ等を備えている。パターン投影部１３は、制御部６に接続されており、制御部６がＬＣＤドライバ１３ｂへ出力する制御信号に応じて、液晶パネル１３ａを駆動し、任意のパターンを投影する。ここで、「任意のパターン」とは、後述のパターン作成プログラム６３ａの実行により作成される、縞パターン、同心円パターン、格子パターン、斜め格子パターン等である。なお、任意のパターンは、これらに限らず、複数の三角形パターンや波状パターン等であっても良い。
これにより、パターン投影部１３は、パターン投影手段として機能する。

圧子軸１４は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動される負荷機構部（図示省略）により、試料台２に載置された試料Ｓに向け移動され、先端部に備えた圧子１４ａが試料Ｓの表面に所定の試験力で押し付ける。

試料台２は、載置される試料Ｓを試料台２に固定する試料固定部２ａを有している。
ＸＹステージ３は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動する駆動機構部（図示省略）により駆動され、試料台２を圧子１４ａの移動方向に垂直な方向に移動させる。例えば、鉛直方向に備えられた圧子軸１４が、鉛直方向に移動するように圧子１４ａを移動させる場合、試料台２を水平方向（前後左右方向）に移動させる。
ＡＦ（Ｚ）ステージ４は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動され、ＣＣＤカメラ１２が撮像した画像データに基づき試料台２を微細に昇降させ、試料Ｓの表面に焦点を合わせる。
昇降機構部５は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動され、試料台２（ＸＹステージ３、ＡＦ（Ｚ）ステージ４）を上下方向に移動させる。
この昇降機構部５及びＡＦ（Ｚ）ステージ４により、移動手段が構成される。

操作部７は、キーボード７１、マウス７２等により構成されており、硬さ試験を行う際の操作入力や、後述のパターン作成プログラム６３ａの実行による任意のパターン作成時の操作入力が行われる。そして、操作部７により所定の入力操作がなされると、その入力操作に応じた所定の操作信号が制御部６に出力される。
この操作部７は、パターン作成手段を構成する。

モニタ８は、例えば、ＬＣＤなどの表示装置により構成されており、操作部７において入力された硬さ試験の設定条件、硬さ試験の結果、ＣＣＤカメラ１２が撮像した試料Ｓの表面や引き目パターン、任意のパターンの画像等を表示する。また、モニタ８は、後述の表示制御プログラム６３ｅの実行時にメッセージを表示する表示手段として機能している。

制御部６は、図４に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）６１，ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）６２，記憶部６３等を備えて構成され、記憶部６３に記憶された所定のプログラムが実行されることにより、所定の硬さ試験を行うための動作制御等を行う機能を有する。

ＣＰＵ６１は、記憶部６３に格納された処理プログラム等を読み出して、ＲＡＭ６２に展開して実行することにより、硬さ試験機１００全体の制御を行う。

ＲＡＭ６２は、ＣＰＵ６１により実行された処理プログラム等を、ＲＡＭ６２内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。

記憶部６３は、例えば、プログラムやデータ等が予め記憶されている記録媒体（図示省略）を有しており、この記録媒体は、半導体メモリ等で構成されている。また、記憶部６３は、ＣＰＵ６１が硬さ試験機１００全体を制御する機能を実現させるための各種データ，各種処理プログラム，これらプログラムの実行により処理されたデータ等を記憶する。より具体的には、記憶部６３は、例えば、図４に示すように、パターン作成プログラム６３ａ、パターン投影プログラム６３ｂ、スペクトル強度算出プログラム６３ｃ、判断プログラム６３ｄ、表示制御プログラム６３ｅ、自動焦点合わせプログラム６３ｆ等を格納している。

パターン作成プログラム６３ａは、ＣＰＵ６１に、試料Ｓの表面に投影する任意のパターンを作成する機能を実現させるプログラムである。
具体的には、例えば、図５（ａ）に示すように、試料Ｓの表面に、縦向きに（Ｙ方向の）縞状の引き目パターンが形成された画像がＣＣＤカメラ１２に撮像されて、モニタ８に表示されると、ＣＰＵ６１がパターン作成プログラム６３ａを実行し、後述のパターン投影プログラム６３ｂにより試料Ｓの表面に投影する、引き目パターンに対応した任意のパターンを、ユーザに操作部７を介して作成させることが出来る。上記任意のパターンの作成にあっては、操作部７のキーボード７１やマウス７２を操作することにより、任意のパターンの形状（例えば、縞状、格子状、同心円状、逆三角形状等）、任意のパターンの周期、及び／又は任意のパターンの方向角等を指定することが出来る。
そのため、例えば、図６（ａ）、（ｂ）に示すような、縦向き、横向きの縞状の引き目パターンに対して、Ｙ方向軸より４５度傾斜した方向に、引き目パターンとは周期の異なる、等間隔で並んだ縞状のパターンを作成したり、図７（ａ）に示すような、図６（ａ）のパターンを所定角度回転させて、引き目パターンと直交する方向に等間隔で並んだ縞状のパターンを作成したり、図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）のパターンよりも間隔の広い縞状のパターンを作成することが容易に可能となる。
ＣＰＵ６１は、かかるパターン作成プログラム６３ａを実行することで、操作部７とともに、パターン作成手段として機能する。

パターン投影プログラム６３ｂは、ＣＰＵ６１に、パターン作成プログラム６３ａの実行により作成される任意のパターンを、試料Ｓの表面に投影する機能を実現させるプログラムである。
具体的には、例えば、ＣＰＵ６１がパターン作成プログラム６３ａの実行し、ユーザにより操作部７が操作され、試料Ｓの表面に投影される任意のパターンの形状や周期、及び／又は任意のパターンの方向角等が指定入力されると、ＣＰＵ６１はパターン投影プログラム６３ｂを実行し、ＬＣＤドライバ１３ｂへ制御信号を送信し、当該制御信号に応じて液晶パネル１３ａを駆動し、図６（ａ）に示すように、試料Ｓの表面を投影するとともに、試料Ｓの表面に任意のパターンを投影する。
ＣＰＵ６１は、かかるパターン投影プログラム６３ｂを実行することで、パターン投影部１３とともにパターン投影手段として機能する。

スペクトル強度算出プログラム６３ｃは、ＣＰＵ６１に、ＣＣＤカメラ１２により撮像された任意のパターンが投影された試料Ｓの表面の画像より、周波数成分に基づく周波数解析を行い、その周波数成分ごとのスペクトル強度を算出する機能を実現させるプログラムである。
具体的には、スペクトル強度の算出は以下のようにして行う。

例えば、ＡＦ（Ｚ）ステージ４を駆動させて、試料ＳのＺ方向位置を変化させる度に、図６（ａ）に示すように、縦方向（Ｙ方向）の縞状の引き目パターンが形成された試料Ｓの表面に対して、Ｙ方向軸より４５度傾斜した方向に等間隔で並んだ縞状のパターンが投影された画像や、図６（ｂ）に示すように、横方向（Ｘ方向）の縞状の引き目パターンが形成された試料Ｓの表面に対して、Ｙ方向軸より４５度傾斜した方向に等間隔で並んだ縞状のパターンが投影された画像が、ＣＣＤカメラ１２により撮像される。すると、ＣＰＵ６１はスペクトル強度算出プログラム６３ｃを実行し、そのＺ方向位置ごとの画像に対して２次元フーリエ変換を実行する。その結果、例えば、図６（ａ）に示される試料Ｓの表面に対しては、図８（ａ）のような周波数成分に基づくスペクトル分布が、図６（ｂ）に示される試料Ｓの表面に対しては、図８（ｂ）のような周波数成分に基づくスペクトル分布が生成される。なお、図８（ａ）（ｂ）において、白色の円で表示される部分はスペクトル強度が低い箇所を、黒色の円で表示される部分はスペクトル強度が高い箇所を模式的に表している。

図８（ａ）（ｂ）における線Ａ−Ａ´は、この時に投影されている任意のパターン（図８（ａ）では図６（ａ）に示すパターン、図８（ｂ）では図６（ｂ）に示すパターン）と直交する方向の直線であり、線Ａ−Ａ´上にあらわれる、点Ｐ０及びＰ０´、点Ｐ１及びＰ１´の周波数成分、又は、ＤＣ成分（直流成分）におけるスペクトルが、任意のパターンを投影することにより生ずるスペクトルであることを示している。
一方で、線Ａ−Ａ´上にあらわれていない、点Ｑ０やＱ０´、点Ｑ１やＱ１´の周波数成分におけるスペクトルは、試料Ｓの表面の引き目パターンに起因して生ずるスペクトルであり、点Ｐ０やＰ０´、点Ｐ１やＰ１´の周波数成分におけるスペクトルとは空間的に分離された形で生じていることがわかる。
つまり、図６（ａ）（ｂ）に示すように、任意のパターンとして、引き目パターンとは異なる方向からなる縞状のパターンを投影しているので、引き目パターンに起因して生ずるスペクトルと空間的に分離することが可能になっている。
そのため、図８（ａ）（ｂ）における線Ａ−Ａ´上に生ずる空間周波数ごとのスペクトルにのみ着目すると、図８（ｃ）（ｄ）に示されるように、任意のパターンを投影することで生ずる空間周波数ごとのスペクトル強度のみを算出することが可能となる。

さらに、図８（ａ）の点Ｐ０及び点Ｐ０´は、点Ｑ０及びＱ０´と比べて、スペクトル分布の中心（線Ａ−Ａ´の中点）より離れた位置にスペクトルを生じており、図８（ｂ）の点Ｐ１及び点Ｐ１´も、点Ｑ１及びＱ１´と比べて、スペクトル分布の中心（線Ａ−Ａ´の中点）より離れた位置にスペクトルを生じている。
つまり、図６（ａ）（ｂ）に示すように、任意のパターンとして、引き目パターンの縞の周期と異なる周期からなる縞状のパターンを投影しているので、任意のパターンを投影することで生ずるスペクトルを、引き目パターンに起因して生ずるスペクトルから遠ざけることが出来るため、図８（ｃ）（ｄ）に示されるようなスペクトル強度の分布を形成する上で有利となる。

判断プログラム６３ｄは、ＣＰＵ６１に、スペクトル強度算出プログラム６３ｃの実行により算出されたスペクトル強度に基づいて、ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回るか否かを判断する機能を実現させるプログラムである。
具体的には、例えば、ＣＰＵ６１のスペクトル強度算出プログラム６３ｃの実行により、図８（ｃ）や図８（ｄ）に示されるような空間周波数（周波数成分）ごとのスペクトル強度が算出されると、ＣＰＵ６１は判断プログラム６３ｄを実行し、ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分（例えば、図８（ｃ）では点Ｐ０やＰ０´、図８（ｄ）では点Ｐ１やＰ１´）のスペクトル強度が所定値を上回るか否か、即ち、予め定められた所定のピーク値（例えば、図８（ｃ）（ｄ）におけるスペクトル強度Ｔ値）を超えた値となっているか否かを判断する。
つまり、ＣＰＵ６１が判断プログラム６３ｄを実行すると、例えば、図８（ｄ）の点Ｐ１やＰ１´のようにスペクトル強度がＴ値を超える場合、スペクトル強度が所定値を上回ると判断し、そのスペクトル強度が算出された時の試料ＳのＺ方向位置に基づいて、後述の自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行し、焦点を合わせることが可能となる。
一方で、ＣＰＵ６１が判断プログラム６３ｄを実行して、例えば、ＡＦ（Ｚ）ステージ４を下限位置から上限位置まで駆動させて、試料ＳのＺ方向位置を変化させる度にスペクトル強度を算出しても、図８（ｃ）の点Ｐ０やＰ０´のようにスペクトル強度がＴ値を超えない場合、スペクトル強度が所定値を上回っていないと判断し、後述の表示制御プログラム６３ｅの実行により、ユーザに試料Ｓの表面に投影された任意のパターンとは異なるパターンを作成することを促すことになる。
ＣＰＵ６１は、かかる判断プログラム６３ｄを実行することで、判断手段として機能する。
なお、図８（ｃ）における点Ｐ０やＰ０´、又は図８（ｄ）における点Ｐ１やＰ１´のような、スペクトルを生じさせる、ＤＣ成分から所定距離離れた位置は、パターン投影プログラム６３ｂにより投影される任意のパターンによって定まる。そのため、予めパターンの形状や周期、方向角等に応じてスペクトルが生ずる位置を記憶部６３に記憶しておき、ＣＰＵ６１がパターン作成プログラム６３ａを実行して、ユーザにより任意のパターンが作成されると、ＣＰＵ６１が記憶部６３よりスペクトルの生ずる位置を読み出して、判断プログラム６３ｄにおける上記スペクトル強度を判断する位置を算出すればよい。

表示制御プログラム６３ｅは、ＣＰＵ６１に、判断プログラム６３ｄにより、試料Ｓの何れのＺ方向位置においても、ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回ると判断されなかった場合に、ユーザに試料Ｓの表面に投影された任意のパターンとは異なるパターンを作成することを促す旨を、モニタ８に表示させる機能を実現させるプログラムである。
具体的には、例えば、図８（ｃ）における所定距離離れた位置にある点Ｐ０やＰ０´の様に、ＡＦ（Ｚ）ステージ４を下限位置から上限位置まで駆動させて、試料ＳのＺ方向位置を変化させる度にスペクトル強度を算出しても、ＣＰＵ６１の判断プログラム６１ｄの実行により、スペクトル強度が所定値を上回っていないと判断された場合、ＣＰＵ６１が表示制御プログラム６３ｅを実行し、試料Ｓの表面に投影された任意のパターンとは異なるパターンを作成することを、モニタ８に所定のメッセージを表示してユーザに促す。
つまり、上記表示を行うことにより、試料Ｓの何れのＺ方向位置でも、スペクトル強度が所定値を上回っていない状態で、ＣＰＵ６１が後述の自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行し、試料Ｓの焦点合わせができなくなる（フォーカス処理エラーとなる）事態を回避することができる。

自動焦点合わせプログラム６３ｆは、ＣＰＵ６１に、判断プログラム６３ｄにより、スペクトル強度算出プログラム６３ｃにより算出される、ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回ると判断された場合に、その試料ＳのＺ方向位置にて対物レンズ１５の焦点合わせを行う機能を実現させるプログラムである。
具体的には、例えば、図８（ｄ）における所定距離離れた位置にある点Ｐ１やＰ１´のようなＴ値を超えるスペクトル強度が算出された場合、ＣＰＵ６１の判断プログラム６１ｄの実行により、スペクトル強度が所定値を上回ると判断するので、ＣＰＵ６１が表示制御プログラム６３ｅを実行し、そのスペクトル強度の算出された試料ＳのＺ方向位置に基づいて、対物レンズ１５の焦点合わせを行う。
ＣＰＵ６１は、かかる自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行することで、自動焦点合わせ手段として機能する。

（自動焦点合わせ方法について）
次に、試料Ｓの表面に引き目パターンが形成されている時の自動焦点合わせ方法について、図９のフローチャートを用いて説明する。
まず、ＣＣＤカメラ１２が撮像した試料Ｓの表面がモニタ８に表示されると（ステップＳ１）、ＣＰＵ６１は、パターン作成プログラム６３ａを実行し、ユーザに試料Ｓの表面に形成された引き目パターンに対応した任意のパターンを作成させる（ステップＳ２）。
次いで、ＣＰＵ６１は、パターン投影プログラム６３ｂを実行し、液晶パネル１３ａを駆動して、ステップＳ２で作成された任意のパターンを試料Ｓの表面に投影する（ステップＳ３）。

次いで、ＣＰＵ６１は、所定の制御信号を出力し、ＡＦ（Ｚ）ステージ４を微細に駆動させて、試料ＳをＺ方向に移動させる（ステップＳ４）。
次いで、ＣＰＵ６１は、ＡＦ（Ｚ）ステージ４を下限位置から上限位置まで駆動させたか否かを判断する（ステップＳ５）。

ステップＳ５にて、ＡＦ（Ｚ）ステージ４を下限位置から上限位置まで駆動させたと判断した場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、ＣＰＵ６１は表示制御プログラム６３ｅを実行し、現在試料Ｓの表面に投影されている任意のパターンとは異なるパターンの作成を促す旨をモニタ８に表示し（ステップＳ６）、ステップＳ２以降の処理を繰り返す。

一方で、ステップＳ５にて、ＡＦ（Ｚ）ステージ４を下限位置から上限位置まで駆動させていないと判断した場合（ステップＳ５；Ｎｏ）、ＣＰＵ６１はスペクトル強度算出プログラム６３ｃを実行し、試料Ｓの表面に任意のパターンが投影された画像をＣＣＤカメラ１２で撮像し、その画像に対する周波数解析を行い、スペクトル強度を算出する（ステップＳ７）。
次いで、ＣＰＵ６１は判断プログラム６３ｄを実行し、ステップＳ７で算出されるＤＣ成分と所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回るか否かを判断し（ステップＳ８）、上回っていない場合は、ステップＳ４以降の処理を繰り返す（ステップＳ８；Ｎｏ）。

一方で、ステップＳ８でスペクトル強度が所定値を上回ると判断された場合は（ステップＳ８；Ｙｅｓ）、ＣＰＵ６１は自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行し、その時の試料ＳのＺ方向位置にて対物レンズ１５の焦点合わせを実行する（ステップＳ９）。

このように、本発明に係る硬さ試験機１００によれば、パターン作成プログラム６３ａにより、試料Ｓの表面に投影する任意のパターンを作成することができる。そして、パターン投影プログラム６３ｂよりその任意のパターンを投影し、ＣＣＤカメラ１２により任意のパターンが投影された試料Ｓの表面が画像として撮像されると、その画像に基づいて、スペクトル強度算出プログラム６３ｃにより周波数成分に基づく周波数解析を行い、その周波数成分ごとのスペクトル強度が算出される。そして、自動焦点合わせプログラム６３ｆにより、試料ＳをＡＦ（Ｚ）ステージ４により移動させる度、その移動させた位置で、スペクトル強度算出プログラム６３ｃにより算出される、所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回るか否かが、判断プログラム６３ｄによって判断され、上回ると判断された場合に、その位置にて焦点を合わせることができる。
従って、ユーザは事前にワーク表面に形成された引き目や傷とパターンが重なり合わないように任意のパターンを作成し、その任意のパターンが投影された試料表面に対する周波数解析に基づいて、焦点を合わせることが出来るので、フォーカス処理エラーを確実に防止することが出来る。
つまり、本発明にかかるオートフォーカス装置は、ワーク表面の影響を受けずに、好適に焦点合わせを行うことができるオートフォーカス装置であるといえる。

また、本発明に係る硬さ試験機１００によれば、判断プログラム６３ｄにより、ＡＦ（Ｚ）ステージ４により移動させた何れの位置においても、ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回ると判断されなかった場合に、表示制御プログラム６３ｅにより、試料Ｓの表面に投影された任意のパターンとは異なるパターンを、パターン作成プログラム６３ａにより作成することを促す旨を、モニタ８に表示させることができる。
これによって、ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回らず、自動焦点合わせプログラム６３ｆを実行することによって、フォーカス処理エラーとなる事態を未然に防止することが可能となる。

また、本発明に係る硬さ試験機１００によれば、パターン作成プログラム６３ａによって、及び、ユーザが操作部７のキーボード７１やマウス７２を操作することによって、任意のパターンの形状（例えば、縞状、格子状、同心円状、逆三角形状等）、任意のパターンの周期、及び／又は任意のパターンの方向角等を指定することが出来る。
これによって、試料Ｓの表面に多様な引き目パターンが形成される場合にあっても、ユーザは自由度の高い作成条件下で、その引き目パターンごとに最適となる任意のパターンを作成することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、硬さ試験機は、ビッカース硬さ試験機、ブリネル硬さ試験機、ヌープ硬さ試験機等に利用することができる。
また、硬さ試験機に限定されるものではなく、例えば、本発明に係るオートフォーカス装置を用いたものであれば、画像測定機器や顕微鏡等であっても当然良い。
また、予め記憶部６３にパターン投影プログラム６３ｂにより投影するパターンを複数記憶しておき、ＣＰＵ６１の判断プログラム６３ｄの実行によって、ＡＦ（Ｚ）ステージ４により移動させた試料Ｓの何れの位置においても、ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回ると判断されなかった場合に、予め記憶部６３に記憶された投影パターンを、ＣＰＵ６１が所定の順番で選択し、それを任意のパターンとしてパターン投影プログラム６３ｂにより投影するものであってもよい。
また、上記実施の形態において、移動手段として、昇降機構部５及びＡＦ（Ｚ）ステージ４により試料を移動させたが、対物レンズ１５側を移動させてもよい。その他、本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲内で自由に変更、改良が可能である。

本発明に係る硬さ試験機の全体構成を示す斜視図である。 本発明に係る硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。 本発明に係る硬さ試験機の硬さ測定部を示す模式図である。 本発明に係る硬さ試験機の概略構成を示すブロック図である。 本発明に係る硬さ試験機における試料の表面の模式図で、（ａ）は試料の表面に縦向きに縞状の引き目パターンが形成された状態を、（ｂ）は試料の表面に横向きに縞状の引き目パターンが形成された状態を示す図である。 本発明に係る試料の表面に任意のパターンを投影した状態を示す模式図で、（ａ）は、図５（ａ）の引き目パターン上に斜めの縞状のパターンを投影した状態を、（ｂ）は図５（ｂ）の引き目パターン上に斜めの縞状のパターンを投影した状態を示す図である。 本発明に係る任意のパターンの変形例を示す図であり、（ａ）は任意のパターンを所定角度回転させて投影させた状態を、（ｂ）は（ａ）のパターンよりも間隔の広いパターンを投影した状態を示す図である。 本発明に係る試料の表面上で周波数解析を行った結果を示す模式図であり、（ａ）は図６（ａ）のスペクトル分布を、（ｂ）は図６（ｂ）のスペクトル分布を、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ´線上のスペクトル分布を、（ｄ）は（ｂ）のＡ−Ａ´線上のスペクトル分布を示した図である。 本発明に係る自動焦点合わせ方法に関するフローチャートを示す図である。

符号の説明

１００ 硬さ試験機（オートフォーカス装置）
１ 硬さ測定部
１１ 照明装置（光源）
１２ ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１３ａ 液晶パネル（パターン投影手段）
１３ｂ ＬＣＤドライバ（パターン投影手段）
１５ 対物レンズ
４ ＡＦ（Ｚ）ステージ（移動手段）
５ 昇降機構部（移動手段）
６１ ＣＰＵ（パターン作成手段、パターン投影手段、スペクトル強度算出手段、判断手段、表示制御手段、自動焦点合わせ手段）
６３ａ パターン作成プログラム（パターン作成手段）
６３ｂ パターン投影プログラム（パターン投影手段）
６３ｃ スペクトル強度算出プログラム（スペクトル強度算出手段）
６３ｄ 判断プログラム（判断手段）
６３ｅ 表示制御プログラム（表示制御手段）
６３ｆ 自動焦点合わせプログラム（自動焦点合わせ手段）
７ 操作部（パターン作成手段）
８ モニタ
Ｓ 試料

Claims (3)

1. 試料表面を照射する光源と、
   前記試料もしくは対物レンズの少なくとも一方を前記対物レンズの光軸に沿って移動させる移動手段と、
   前記試料もしくは前記対物レンズの少なくとも一方を、前記移動手段により移動させて前記対物レンズの焦点合わせを行う自動焦点合わせ手段と、
   を備えるオートフォーカス装置において、
   前記試料表面に投影する任意のパターンを作成するパターン作成手段と、
   前記試料表面に、前記パターン作成手段により作成された任意のパターンを投影するパターン投影手段と、
   前記パターン投影手段により任意のパターンが投影された試料表面を画像として撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段により撮像された画像より、周波数成分に基づく周波数解析を行い、前記周波数成分ごとのスペクトル強度を算出するスペクトル強度算出手段と、
   予め前記任意のパターンに応じてスペクトル分布上のＤＣ成分から所定距離離れた位置を記憶する記憶手段と、
   を備え、
   前記自動焦点合わせ手段は、
   前記試料もしくは前記対物レンズの少なくとも一方が前記移動手段により移動される度に、移動された位置で、前記スペクトル強度算出手段により算出される、前記記憶手段に記憶された前記ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回るか否かを判断する判断手段を有し、
   前記判断手段により、前記ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回ると判断された場合に、前記移動された位置にて焦点を合わせることを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 請求項１記載のオートフォーカス装置において、
   前記判断手段により、前記移動手段により移動された何れの位置においても、前記ＤＣ成分から所定距離離れた位置における周波数成分のスペクトル強度が所定値を上回ると判断されなかった場合に、前記試料表面に投影された任意のパターンとは異なるパターンを、前記パターン作成手段により作成することを促す旨を、所定の表示手段に表示させる表示制御手段と、を備えることを特徴とするオートフォーカス装置。
3. 請求項１又は２記載のオートフォーカス装置において、
   前記パターン作成手段は、
   前記任意のパターンのパターン形状、前記任意のパターンの周期、及び／又は前記任意のパターンの方向角のうち少なくともいずれか一つを指定できることを特徴とするオートフォーカス装置。

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