JP5576195B2 - オートフォーカス装置 - Google Patents
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オートフォーカス装置は、単一の光ビームを測定対象物(ワーク)に集光してフォーカス検出を行い、合焦位置を取得する。
具体的に、オートフォーカス装置では、例えば、図16に示すように、レーザダイオード501から出射したレーザ光を、対物レンズ502を介してワークWに照射させ、ワークWの表面で反射されて対物レンズ502及び凸レンズ503を介して戻ってきた反射光を、ビームスプリッタ504で分岐して受光素子505A及び受光素子505Bに照射させるようになっている。このとき、ワークWの表面には、微小スポットSが結像されている。
そのため、例えば、シリンドリカルレンズを用いて、ワークWの表面上に結像するレーザ光の形状をライン形状とし、平均化効果を向上させて、段差部でもフォーカス検出を可能とする技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
請求項1に記載の発明は、オートフォーカス装置において、
光源と、
前記光源と測定対象物との間に配され、前記光源からの出射光と前記測定対象物からの戻り光とが同一光路となるように通過させる光学部と、
前記光学部を通過した前記戻り光によりフォーカス検出を行う検出手段と、
を備え、
前記光学部は、
前記光源からの前記出射光を平行光とする凸レンズと、
前記凸レンズからの前記平行光を円環状に変形させる光形状変形手段と、
前記光形状変形手段からの円環状の光により前記測定対象物の表面に円環状のパターン像を集光させる対物レンズと、
を備え、
前記光形状変形手段は、前記測定対象物の表面にて反射した前記戻り光を変形前の元の形状に戻して前記検出手段に到達させることを特徴とする。
前記光形状変形手段は、円錐レンズであることを特徴とする。
前記円錐レンズは、着脱可能に備えられていることを特徴とする。
前記光形状変形手段は、円錐ミラーであることを特徴とする。
前記光形状変形手段は、
一定速度で回転する回転軸と、
前記回転軸に対して傾いて配される駆動ミラーと、
前記回転軸を駆動する駆動手段と、
を備えることを特徴とする。
前記駆動手段は、前記回転軸を駆動状態と静止状態とに切り替え可能であり、
前記回転軸を駆動状態と静止状態とに切り替えることにより、前記パターン像の形状を円環状とスポット状とに切り替えることを特徴とする。
前記光形状変形手段と前記対物レンズとの間に、前記光学系の光路長を変更するための光学部材を備えていることを特徴とする。
前記光源からの前記出射光の波長を変更することで、前記パターン像の色が変更可能であることを特徴とする。
このため、測定対象物の表面に円環状のパターン像が結像され、スポット状のパターン像に比べて平均化効果が向上するので、測定対象物の表面に段差部があった場合でもフォーカス検出ができることとなる。また、その段差部が如何なる向きであっても、円環状であるため、ライン形状のように段差部形状と一致して光が散乱すること無く、フォーカス検出ができることとなる。
本発明のオートフォーカス装置は、例えば、顕微鏡、画像計測機などの光学装置に搭載されるものである。
まず、構成について説明する。
本実施形態におけるオートフォーカス装置100は、図1、2に示すように、光出射部1と、ハーフミラー2と、光学部10と、ビームスプリッタ3と、検出部(検出手段)4A,4Bと、演算部5と、ステージ6と、ステージ駆動機構部7と、制御部9と、等を備えている。
なお、本実施形態においては、図1に示すように、光出射部1からハーフミラー2に向かう方向をX方向(左右方向)、ハーフミラー2から光学部10に向かう方向をZ方向(高さ方向)、X方向及びZ方向に直交する方向をY方向(前後方向)とする。
また、ハーフミラー2は、ワークWの表面にて反射され、下方から光学部10を透過して進んできた戻り光を透過させ、ビームスプリッタ3に向かって照射する。
具体的に、円錐レンズ12は、その頂点が下側となるように配置された円錐形状のレンズである。この円錐レンズ12の円錐面に上方から平行光が照射されると、平行光は円環状ビーム(リング状ビーム)に変換されて、下方の対物レンズ13に照射される。
このとき、図3に示すように、パターン像が円環状であるため、ワークWの表面のエッジがパターン像に対して如何なる向きとなっていてもフォーカス検出ができるようになっている。
そして、ワークWの表面にて反射され、出射光と同一光路を逆方向に進むワークWからの戻り光は、光学部10を下方から透過する際に、円錐レンズ12により円環状ビームから円形状の平行光に再度変換されて、上方のハーフミラー2を透過して、ビームスプリッタ3に向かう。
つまり、円錐レンズ12が取り外されている場合には、対物レンズ13は、凸レンズ11から照射される平行光によりワークWの表面にスポット状のパターン像を結像させる。
検出部4A,4Bは、ビームスプリッタ3により2つに分岐された光のうち一方をそれぞれ受光し、受光した光の光量を検出する。
具体的に、ステージ駆動機構部7は、制御部9が出力する制御信号に応じてステージ6をX、Y、Z方向に移動させると共に、ステージ6のX、Y、Z方向における位置(位置座標)を制御部9に出力する。従って、ステージ駆動機構部7により、ステージ6と対物レンズ13との間の相対距離を変化させ、ワークWの表面に焦点を合わせる(フォーカスを検出する)ことが可能となっている。
そして、光出射部1から出射される光の波長を変更することで、図4(a)(b)に示すように、ワークWの表面に現れるパターン像の色が変更される。つまり、ワークWの特性(色や反射率)に応じてパターン像の色が変更できるようになっている。
オートフォーカス装置100では、光出射部1から出射した光は、ハーフミラー2を介して光学部10に照射され、光学部10を上方から透過してワークWに照射される。そして、ワークWの表面にて反射された戻り光は、光学部10及びハーフミラー2を下方から透過して、ビームスプリッタ3を介して検出部4A,4Bに入射する。
このとき、光学部10は、凸レンズ11と対物レンズ13との間に円錐レンズ12を備えており、このため、ワークWの表面に結像されるパターン像が円環状に形成されることとなる。そして、ワークWの表面にて反射した戻り光は、再度、下方から光学部10内の円錐レンズ12を透過するため、円形状に戻される。
つまり、光出射部1から出射した円形状の出射光は、円錐レンズ12により円環状となりワークWの表面にて反射して、円環状の戻り光は円錐レンズ12により円形状に戻って検出部4A,4Bに到達する。
ここで、パターン像が円環状であるため、円形レーザの円周部分に沿って平均化効果が向上し、ワークWの表面に段差部があった場合でもフォーカス検出が可能となる。また、パターン像が円環状であるため、段差部のエッジの方向が如何なる向きであっても、フォーカス検出が可能である。
更に、円錐レンズ12は、着脱可能に備えられているため、円錐レンズ12の抜き差しにより、パターン像をスポット状と円環状とに切り替えることができる。
このため、ワークWの表面に円環状のパターン像が結像され、スポット状のパターン像に比べて平均化効果が向上するので、ワークWの表面に段差部があった場合でもフォーカス検出ができることとなる。また、その段差部が如何なる向きであっても、円環状であるため、ライン形状のように段差部形状と一致して光が散乱すること無く、フォーカス検出ができることとなる。
このため、円錐レンズ12の抜き差しにより、パターン像をスポット状と円環状とに切り替えることができるので、例えば狭小範囲においてスポット状のパターン像が形成されるように切り替えることが可能となり、汎用性を向上させることができる。
このため、ワークWの特性(色や反射率)に応じてパターン像の色が変更でき、汎用性を向上させることができる。
次に、上記の第1実施形態の変形例である変形例1について説明する。
変形例1のオートフォーカス装置100Aには、図5に示すように、円錐レンズ12と対物レンズ13との間に、光学部10Aの光路長を変更するための光学部材であるリレーレンズ14が備えられている。
これにより、円錐レンズ12から出射した光は、対物レンズ13に到達するまでの間に別の光学系を経由することができるようになっている。
なお、この光学系を形成するレンズは、1枚のリレーレンズに限定されものではなく、その数は適時設定可能であるのは勿論である。
従って、オートフォーカス装置100Aは、装置構成などに応じて光学部10Aの光路長を適宜調整することが可能となり、利便性を向上させることができる。
まず、構成について説明する。
本実施形態におけるオートフォーカス装置200は、図6、7に示すように、光出射部1と、ハーフミラー2と、光学部20と、ビームスプリッタ3と、検出部(検出手段)4A,4Bと、演算部5と、ステージ6と、ステージ駆動機構部7と、波長変更部(波長変更手段)8と、制御部9と、等を備えている。
なお、本実施形態においては、図6に示すように、光出射部1からハーフミラー2に向かう方向をZ方向(高さ方向)、ハーフミラー2から光学部20に向かう方向をX方向(左右方向)、X方向及びZ方向に直交する方向をY方向(前後方向)とする。
また、ハーフミラー2は、ワークWの表面にて反射されて光学部20を出射光とは逆方向に通過して進んできた戻り光を透過させ、ビームスプリッタ3に向かって照射する。
具体的に、円錐ミラー22は、鏡面加工された円錐面を持ち、当該円錐面の軸線Lが凸レンズ21からの平行光に対して斜めになるように配置されている。
このため、凸レンズ21からの平行光は、円錐ミラー22の円錐面に対して斜めの方向から照射され、円錐ミラー22によって反射される際に円環状ビーム(リング状ビーム)に変換されて、下方の対物レンズ23に照射される。
このとき、図8に示すように、パターン像が円環状であるため、ワークWの表面のエッジがパターン像に対して如何なる向きとなっていてもフォーカス検出ができるようになっている。
そして、ワークWの表面にて反射され、出射光と同一光路を逆方向に進むワークWからの戻り光は、光学部20を出射光と逆方向に通過する際に、円錐ミラー22により円環状ビームから円形状の平行光に再度変換されて、ハーフミラー2を透過して、ビームスプリッタ3に向かうことなる。
検出部4A,4Bは、それぞれがビームスプリッタ3により2つに分岐された光のうち一方を受光し、受光した光の光量を検出する。
具体的に、ステージ駆動機構部7は、制御部9が出力する制御信号に応じてステージ6をX、Y、Z方向に移動させると共に、ステージ6のX、Y、Z方向における位置(位置座標)を制御部9に出力する。従って、ステージ駆動機構部7により、ステージ6と対物レンズ23との間の相対距離を変化させ、ワークWの表面に焦点を合わせる(フォーカスを検出する)ことが可能となっている。
そして、光出射部1から出射される光の波長を変更することで、図9(a)(b)に示すように、ワークWの表面に現れるパターン像の色が変更される。つまり、ワークWの特性(色や反射率)に応じてパターン像の色が変更できるようになっている。
オートフォーカス装置200では、光出射部1から出射した光は、ハーフミラー2を介して光学部20に照射され、光学部20を通過してワークWに照射される。そして、ワークWの表面にて反射された戻り光は、光学部20及びハーフミラー2を出射光とは逆方向に通過して、ビームスプリッタ3を介して検出部4A,4Bに入射する。
このとき、光学部20は、凸レンズ21と対物レンズ23との間に円錐ミラー22を備えており、このため、ワークWの表面に結像されるパターン像が円環状に形成されることとなる。そして、ワークWの表面にて反射した戻り光は、再度、光学部20内の円錐ミラー22により反射するため、円形状に戻される。
つまり、光出射部1から出射した円形状の出射光は、円錐ミラー22により円環状となりワークWの表面にて反射して、円環状の戻り光は円錐ミラー22により円形状に戻って検出部4A,4Bに到達する。
ここで、パターン像が円環状であるため、円形レーザの円周部分に沿って平均化効果が向上し、ワークWの表面に段差部があった場合でもフォーカス検出が可能となる。また、パターン像が円環状であるため、段差部のエッジの方向が如何なる向きであっても、フォーカス検出が可能である。
このため、ワークWの表面に円環状のパターン像が結像され、スポット状のパターン像に比べて平均化効果が向上するので、ワークWの表面に段差部があった場合でもフォーカス検出ができることとなる。また、その段差部が如何なる向きであっても、円環状であるため、ライン形状のように段差部形状と一致して光が散乱すること無く、フォーカス検出ができることとなる。
このため、ワークWの特性(色や反射率)に応じてパターン像の色が変更でき、汎用性を向上させることができる。
次に、上記の第2実施形態の変形例である変形例2について説明する。
変形例1のオートフォーカス装置200Aには、図10に示すように、円錐ミラー22と対物レンズ23との間に、光学部20Aの光路長を変更するための光学部材であるリレーレンズ24が備えられている。
これにより、円錐ミラー22から出射した光は、対物レンズ23に到達するまでの間に別の光学系を経由することができるようになっている。
なお、この光学系を形成するレンズは、1枚のリレーレンズに限定されものではなく、その数は適時設定可能であるのは勿論である。
従って、オートフォーカス装置200Aは、装置構成などに応じて光学部20Aの光路長を適宜調整することが可能となり、利便性を向上させることができる。
まず、構成について説明する。
本実施形態におけるオートフォーカス装置300は、図11、12に示すように、光出射部1と、ハーフミラー2と、光学部30と、ビームスプリッタ3と、検出部(検出手段)4A,4Bと、演算部5と、ステージ6と、ステージ駆動機構部7と、制御部9Aと、等を備えている。
なお、本実施形態においては、図11に示すように、光出射部1からハーフミラー2に向かう方向をZ方向(高さ方向)、ハーフミラー2から光学部30に向かう方向をX方向(左右方向)、X方向及びZ方向に直交する方向をY方向(前後方向)とする。
また、ハーフミラー2は、ワークWの表面にて反射され、光学部30を出射光とは逆方向に通過して進んできた戻り光を透過させ、ビームスプリッタ3に向かって照射する。
具体的に、光形状変形部32は、回転軸321と、駆動ミラー322と、回転軸321を駆動する駆動部(駆動手段)323と、を備えている。
具体的には、凸レンズ31からの円形状の平行光は、駆動ミラー322のミラー面に対して斜めの方向から照射され、当該駆動ミラー322によって反射される際に回転軸321が駆動部323の駆動に応じて回転した場合に、円環状ビーム(リング状ビーム)に変換されて、下方の対物レンズ33に照射されるようになっている。
つまり、駆動ミラー322が回転駆動すると反射角度が変化するため、光はその反射角度に応じてワークWの表面を円環状に連続移動し、円環状のパターン像で結像する。
具体的に、駆動部323は、回転軸321を駆動状態と静止状態とに切り替え可能であり、回転軸321を駆動状態と静止状態とに切り替えることにより、パターン像の形状を円環状とスポット状とに切り替えることができるようになっている。
また、対物レンズ33は、駆動ミラー322が静止している場合には、駆動ミラー322から照射された平行光によりワークWの表面にスポット状のパターン像を結像させる。
このとき、図13に示すように、パターン像が円環状であるため、ワークWの表面のエッジがパターン像に対して如何なる向きとなっていてもフォーカス検出ができるようになっている。
そして、ワークWの表面にて反射され、出射光と同一光路を逆方向に進むワークWからの戻り光は、光学部30を出射光と逆方向に通過する際に、光形状変形部32により円環状ビームから円形状の平行光に再度変換されて、ハーフミラー2を透過して、ビームスプリッタ3に向かうことなる。
検出部4A,4Bは、それぞれがビームスプリッタ3により2つに分岐された光のうち一方を受光し、受光した光の光量を検出する。
具体的に、ステージ駆動機構部7は、制御部9Aが出力する制御信号に応じてステージ6をX、Y、Z方向に移動させると共に、ステージ6のX、Y、Z方向における位置(位置座標)を制御部9Aに出力する。従って、ステージ駆動機構部7により、ステージ6と対物レンズ33との間の相対距離を変化させ、ワークWの表面に焦点を合わせる(フォーカスを検出する)ことが可能となっている。
そして、光出射部1から出射される光の波長を変更することで、図14(a)(b)に示すように、ワークWの表面に現れるパターン像の色が変更される。つまり、ワークWの特性(色や反射率)に応じてパターン像の色が変更できるようになっている。
オートフォーカス装置300では、光出射部1から出射した光は、ハーフミラー2を介して光学部30に照射され、光学部30を通過してワークWに照射される。そして、ワークWの表面にて反射された戻り光は、光学部30及びハーフミラー2を出射光とは逆方向に通過して、ビームスプリッタ3を介して検出部4A,4Bに入射する。
このとき、光学部30は、凸レンズ31と対物レンズ33との間に光形状変形部32を備えており、このため、駆動ミラー322が駆動している場合には、ワークWの表面に結像されるパターン像が円環状に形成されることとなる。そして、ワークWの表面にて反射した戻り光は、再度、光学部30内の光形状変形部32により反射するため、円形状に戻される。
つまり、駆動ミラー322が駆動している場合には、光出射部1から出射した円形状の出射光は、光形状変形部32により円環状となりワークWの表面にて反射して、円環状の戻り光は光形状変形部32により円形状に戻って検出部4A,4Bに到達する。
ここで、パターン像が円環状であるため、円形レーザの円周部分に沿って平均化効果が向上し、ワークWの表面に段差部があった場合でもフォーカス検出が可能となる。また、パターン像が円環状であるため、段差部のエッジの方向が如何なる向きであっても、フォーカス検出が可能である。
更に、回転軸321を駆動状態と静止状態とに切り替えることができ、駆動ミラー322を静止させて、パターン像をスポット状に切り替えることができる。
このため、ワークWの表面に円環状のパターン像が結像され、スポット状のパターン像に比べて平均化効果が向上するので、ワークWの表面に段差部があった場合でもフォーカス検出ができることとなる。また、その段差部が如何なる向きであっても、円環状であるため、ライン形状のように段差部形状と一致して光が散乱すること無く、フォーカス検出ができることとなる。
このため、回転軸321を駆動状態と静止状態とに切り替えることにより、例えば狭小範囲においてスポット状のパターン像が形成されるように切り替えることが可能となり、汎用性を向上させることができる。
このため、ワークWの特性(色や反射率)に応じてパターン像の色が変更でき、汎用性を向上させることができる。
次に、上記の第1実施形態の変形例である変形例3について説明する。
変形例3のオートフォーカス装置300Aには、図15に示すように、駆動ミラー322と対物レンズ33との間に、光学部30Aの光路長を変更するための光学部材であるリレーレンズ34が備えられている。
これにより、駆動ミラー322から出射した光は、対物レンズ33に到達するまでの間に別の光学系を経由することができるようになっている。
なお、この光学系を形成するレンズは、1枚のリレーレンズに限定されものではなく、その数は適時設定可能であるのは勿論である。
従って、オートフォーカス装置300Aは、装置構成などに応じて光学部30Aの光路長を適宜調整することが可能となり、利便性を向上させることができる。
100 オートフォーカス装置
1 光出射部(光源)
2 ハーフミラー
3 ビームスプリッタ
4A,4B 検出部(検出手段)
5 演算部
6 ステージ
7 ステージ駆動機構部
8 波長変更部(波長変更手段)
9 制御部
10 光学部
11 凸レンズ
12 円錐レンズ(光形状変形手段)
13 対物レンズ
W ワーク(測定対象物)
(変形例1)
100A オートフォーカス装置
10A 光学部
11 凸レンズ
12 円錐レンズ(光形状変形手段)
13 対物レンズ
14 リレーレンズ
(第2実施形態)
200 オートフォーカス装置
1 光出射部(光源)
2 ハーフミラー
3 ビームスプリッタ
4A,4B 検出部(検出手段)
5 演算部
6 ステージ
7 ステージ駆動機構部
8 波長変更部(波長変更手段)
9 制御部
20 光学部
21 凸レンズ
22 円錐ミラー(光形状変形手段)
L 軸線
23 対物レンズ
W ワーク(測定対象物)
(変形例2)
200A オートフォーカス装置
20A 光学部
21 凸レンズ
22 円錐ミラー(光形状変形手段)
23 対物レンズ
24 リレーレンズ
(第3実施形態)
300 オートフォーカス装置
1 光出射部(光源)
2 ハーフミラー
3 ビームスプリッタ
4A,4B 検出部(検出手段)
5 演算部
6 ステージ
7 ステージ駆動機構部
8 波長変更部(波長変更手段)
9A 制御部
30 光学部
31 凸レンズ
32 光形状変形部(光形状変形手段)
321 回転軸
322 駆動ミラー
323 駆動部(駆動手段)
33 対物レンズ
W ワーク(測定対象物)
(変形例3)
300A オートフォーカス装置
30A 光学部
31 凸レンズ
32 光形状変形部(光形状変形手段)
321 回転軸
322 駆動ミラー
323 駆動部(駆動手段)
33 対物レンズ
34 リレーレンズ
Claims (8)
- 光源と、
前記光源と測定対象物との間に配され、前記光源からの出射光と前記測定対象物からの戻り光とが同一光路となるように通過させる光学部と、
前記光学部を通過した前記戻り光によりフォーカス検出を行う検出手段と、
を備え、
前記光学部は、
前記光源からの前記出射光を平行光とする凸レンズと、
前記凸レンズからの前記平行光を円環状に変形させる光形状変形手段と、
前記光形状変形手段からの円環状の光により前記測定対象物の表面に円環状のパターン像を集光させる対物レンズと、
を備え、
前記光形状変形手段は、前記測定対象物の表面にて反射した前記戻り光を変形前の元の形状に戻して前記検出手段に到達させることを特徴とするオートフォーカス装置。 - 前記光形状変形手段は、円錐レンズであることを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス装置。
- 前記円錐レンズは、着脱可能に備えられていることを特徴とする請求項2に記載のオートフォーカス装置。
- 前記光形状変形手段は、円錐ミラーであることを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス装置。
- 前記光形状変形手段は、
一定速度で回転する回転軸と、
前記回転軸に対して傾いて配される駆動ミラーと、
前記回転軸を駆動する駆動手段と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス装置。 - 前記駆動手段は、前記回転軸を駆動状態と静止状態とに切り替え可能であり、
前記回転軸を駆動状態と静止状態とに切り替えることにより、前記パターン像の形状を円環状とスポット状とに切り替えることを特徴とする請求項5に記載のオートフォーカス装置。 - 前記光形状変形手段と前記対物レンズとの間に、前記光学系の光路長を変更するための光学部材を備えていることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載のオートフォーカス装置。
- 前記光源からの前記出射光の波長を変更することで、前記パターン像の色が変更可能であることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載のオートフォーカス装置。
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