JP5864346B2 - オートフォーカス機構 - Google Patents

Description

本発明は、オートフォーカス機構に係り、特に、扱いやすく安定したオートフォーカス制御を可能としながら、多種多様な測定ワークに対応可能なオートフォーカス機構に関する。

従来、特許文献１に示すようなオートフォーカス機構が知られている。図４に示す如く、このオートフォーカス機構１は、レーザ光１６を集光して測定ワーク２に照射する対物レンズ１４と、対物レンズ１４を介して測定ワーク２からの反射光を分岐するビームスプリッタ２０と、分岐された一方の反射光の焦点位置ＦＰの手前側に配置された第１ピンホール２２と、第１ピンホール２２を通過した反射光を受光する第１フォトダイオード２４と、分岐されたもう一方の反射光の焦点位置ＦＰの奥側に配置された第２ピンホール２６と、第２ピンホール２６を通過した反射光を受光する第２フォトダイオード２８と、第１、第２フォトダイオード２４、２８から出力される信号をそれぞれＡ信号電圧、Ｂ信号電圧に変換し、式（１）、（２）に示すＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）とＳ信号電圧ＶＳとを求める処理部（図示せず）と、を備える。ここで、反射光の焦点位置ＦＰは、対物レンズ１４と測定ワーク２との間の距離Ｚが丁度焦点距離となったときに得られる位置である。なお、符号１２は結像レンズである。
Ａ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）＝Ａ信号電圧＋Ｂ信号電圧 （１）
Ｓ信号電圧ＶＳ＝（Ａ信号電圧−Ｂ信号電圧）／（Ａ信号電圧＋Ｂ信号電圧）（２）

オートフォーカス機構１は、Ｓ信号電圧ＶＳが所定の電圧（合焦判断電圧ＶＦＪ；測定ワーク２と対物レンズ１４との間の距離Ｚが対物レンズ１４の焦点距離とされた際に得られる電圧）となる位置を合焦位置ＰＦＪとしており、この合焦位置ＰＦＪになるように測定ワーク２を対物レンズ１４に対して位置決めすることでオートフォーカス制御を実現している。

特開平８−２２０４１８号公報

しかし、対物レンズ１４と測定ワーク２との間の距離Ｚに対して式（２）で示すＳ信号電圧ＶＳは図５（縦軸は電圧Ｅ、横軸は距離Ｚ、他の図も同様）に示すような変化をし、合焦位置ＰＦＪ以外の位置で合焦判断電圧ＶＦＪと同じ電圧が白抜き矢印で示す数箇所で存在する場合がある。

そこで、合焦位置ＰＦＪの決定のためにＳ信号電圧ＶＳが使用可能か否か判断するのに、式（１）で示すＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）を用いている。Ａ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）が所定電圧（Ｓ信号有効判定電圧ＶＳＶ）以上の部分（合焦位置判断可能領域ＥＡＶ）を有する場合に、図６（Ａ）に示す如く、その合焦位置判断可能領域ＥＡＶの間にあるＳ信号電圧ＶＳから合焦位置ＰＦＪを判断するようにしている。即ち、Ｓ信号有効判定電圧ＶＳＶは、距離Ｚにおける合焦判断電圧ＶＦＪの有効な領域を決定するための電圧であり、Ａ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）から自身を減算して得た電圧がゼロ以上の距離Ｚにおける合焦判断電圧ＶＦＪを有効とする閾値電圧とされている。

ここで、Ａ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）は、通常ほぼ合焦位置ＰＦＪで最大値となる正規分布状の形状をしているが、測定ワーク２の反射率によってはＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）の信号レベルが変化してしまう。例えば、測定ワーク２の反射率が低い場合には、図６（Ｂ）に示す如く、Ａ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）が距離Ｚの全域で低くなり合焦位置判断可能領域ＥＡＶが狭くなる。そのため、オートフォーカス制御できる範囲が狭くなってしまう。最悪、Ａ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）がＳ信号有効判定電圧ＶＳＶよりも小さくなると合焦位置判断可能領域ＥＡＶが無くなり、オートフォーカス制御ができなくなる。

反対に、測定ワーク２の反射率が高い場合は、図６（Ｃ）に示す如く、Ａ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）が大きくなり合焦位置判断可能領域ＥＡＶが広くなり過ぎる。そのため、合焦位置ＰＦＪ以外の位置（白抜き○）も合焦位置ＰＦＪと誤判断してしまうこととなる。

逆に、Ｓ信号有効判定電圧ＶＳＶの設定値の違いにより、上記同様に合焦位置判断可能領域ＥＡＶが無くなったり、広くなりすぎたりする。

従って、安定したオートフォーカス制御を実現するためには、このＳ信号有効判定電圧ＶＳＶの値をどのように設定するかが重要となる。このため、測定ワーク２毎にＳ信号有効判定電圧ＶＳＶを設定することが考えられる。しかし、測定ワーク２は多種多様であり、工場出荷時などの初期のＳ信号有効判定電圧ＶＳＶの設定調整だけでは対応できないおそれもある。このため、Ｓ信号有効判定電圧ＶＳＶを変更可能としてもよいが、その場合には距離Ｚに対するＳ信号電圧ＶＳやＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）の測定の実施やオートフォーカスの制御方法の把握が必要となる。このような作業は大変煩雑で、オートフォーカス制御を扱いづらくしてしまうおそれがあった。

そこで本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、扱いやすく安定したオートフォーカス制御を可能としながら、多種多様な測定ワークに対応可能なオートフォーカス機構を提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、レーザ光を集光して測定ワークに照射する対物レンズと、該対物レンズを介して該測定ワークからの反射光を分岐するビームスプリッタと、分岐された一方の該反射光の焦点位置の手前側に配置された第１光量制限素子と、該第１光量制限素子を通過した該反射光を受光する第１受光素子と、分岐されたもう一方の該反射光の焦点位置の奥側に配置された第２光量制限素子と、該第２光量制限素子を通過した該反射光を受光する第２受光素子と、第１、第２受光素子から出力される信号をそれぞれＡ信号電圧、Ｂ信号電圧に変換し、式（１）、（２）に示すＡ＋Ｂ信号電圧とＳ信号電圧とを求める処理部と、を備えるオートフォーカス機構において、前記処理部に、前記Ｓ信号電圧における最大電圧及び最小電圧となる前記対物レンズと前記測定ワークとの間の距離における前記Ａ＋Ｂ信号電圧をそれぞれ第１電圧及び第２電圧と定める第１演算手段と、該第１電圧及び第２電圧のうちの高い方の電圧を、前記距離が前記対物レンズの焦点距離とされた際に得られる前記Ｓ信号電圧である合焦判断電圧を有効とする閾値電圧であるＳ信号有効判定電圧として定める第２演算手段と、該Ｓ信号有効判定電圧以上の電圧となる前記Ａ＋Ｂ信号電圧の前記距離において、前記合焦判断電圧となる前記Ｓ信号電圧の位置を前記対物レンズの焦点距離とする第３演算手段と、を備えたことにより、前記課題を解決したものである。
Ａ＋Ｂ信号電圧＝Ａ信号電圧＋Ｂ信号電圧 （１）
Ｓ信号電圧＝（Ａ信号電圧−Ｂ信号電圧）／（Ａ信号電圧＋Ｂ信号電圧） （２）

本発明によれば、扱いやすく安定したオートフォーカス制御を可能としながら、多種多様な測定ワークに対応可能となる。

本発明の実施形態に係るオートフォーカス機構の概略模式図 対物レンズの焦点距離を求める手順を説明するための模式図 対物レンズの焦点距離を求める手順を説明するためのフローチャートを示す図 従来技術に係るオートフォーカス機構の概略模式図 距離Ｚに対するＳ信号電圧の変化を示す模式図 異なる条件のＡ＋Ｂ信号電圧及びＳ信号電圧に対する合焦判断電圧及びＳ信号有効判定電圧を示す模式図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

最初に、第１実施形態に係るオートフォーカス機構の構成について、図１を用いて説明する。

オートフォーカス機構１００は、図１に示す如く、光学ヘッド１０４と、光学ヘッド１０４をＺ軸方向に移動可能に支持するスタンド１０６と、光学ヘッド１０４からの出力を処理する処理部１０８と、を備える。なお、測定ワーク１０２は、図示せぬＸＹステージを介してスタンド１０６に支持される。

前記光学ヘッド１０４は、図１に示す如く、レーザダイオード１１０とチューブレンズ１１２と対物レンズ１１４と第１ビームスプリッタ１１８と第２ビームスプリッタ１２０と第１ピンホール１２２（第１光量制限素子）と第１フォトダイオード１２４（第１受光素子）と第２ピンホール１２６（第２光量制限素子）と第２フォトダイオード１２８（第２受光素子）とを備える。なお、第１、第２ピンホール１２２、１２６の代わりに、ナイフエッジ等を用いた光量制限素子を用いてもよい。

レーザダイオード１１０は、図１に示す如く、測定ワーク１０２を照射するレーザ光１１６を出射する。出射されたレーザ光１１６は、チューブレンズ１１２によりコリメートされる（なお、チューブレンズが不要な構成でもよい）。コリメートされたレーザ光１１６は、対物レンズ１１４で集光され測定ワーク１０２に照射される。照射されたレーザ光１１６は、測定ワーク１０２で反射される。そして、その反射されたレーザ光１１６は、対物レンズ１１４とチューブレンズ１１２を介して、第１ビームスプリッタ１１８で反射される。第１ビームスプリッタ１１８で反射されたレーザ光１１６は、第２ビームスプリッタ１２０で２つに分岐される。即ち、第２ビームスプリッタ１２０（ビームスプリッタ）は、対物レンズ１１４を介して測定ワーク１０２からの反射光を分岐する。

図１に示す如く、第１ピンホール１２２は、分岐された一方の反射光の焦点位置ＦＰの手前側に配置されている。ここで、反射光の焦点位置ＦＰは対物レンズ１１４と測定ワーク１０２との間の距離Ｚが丁度焦点距離となったときに得られる位置であり、焦点位置ＦＰは第１フォトダイオード１２４の内側にくる。第１フォトダイオード１２４は、第１ピンホール１２２を通過した反射光を受光する。一方で、図１に示す如く、第２ピンホール１２６は、分岐されたもう一方の反射光の焦点位置ＦＰの奥側に配置されている。即ち、ここでの反射光の焦点位置ＦＰは、第２ピンホール１２６の外側（手前側）にくる。第２フォトダイオード１２８は、第２ピンホール１２６を通過した反射光を受光する。第１、第２フォトダイオード１２４、１２８はそれぞれ、受光した光量に応じた電気信号を出力する。

前記スタンド１０６には、図１に示す如く、Ｚ方向に移動可能な光学ヘッド移動機構１３２が設けられており、光学ヘッド移動機構１３２に光学ヘッド１０４が固定されている。光学ヘッド移動機構１３２には位置検出部１３０が取り付けられており、位置検出部１３０は光学ヘッド移動機構１３２のＺ軸方向への移動量を検出して距離Ｚの位置データとして出力する構成とされている。

前記処理部１０８は、図１に示す如く、Ａ信号電圧変換部１３４とＢ信号電圧変換部１３６とＡ＋Ｂ信号電圧変換部１３８とＳ信号電圧変換部１４０とＳ信号・Ａ＋Ｂ信号電圧検出部１４２とＳ信号・Ａ＋Ｂ信号・位置データ記憶部１４４と、演算・制御部１４６（第１〜第３演算手段）とＳ信号有効判定電圧記憶部１４８と外部通信部１５０とホストコントローラ１５２と入出力部１５４とを備える。

Ａ、Ｂ信号電圧変換部１３４、１３６はそれぞれ、図１に示す如く、第１、第２フォトダイオード１２４、１２８から出力される信号を電圧であるＡ、Ｂ信号電圧に変換する。Ａ、Ｂ信号電圧は、Ａ＋Ｂ信号電圧変換部１３８で式（１）に従いＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）に変換され、Ｓ信号電圧変換部１４０で式（２）に従いＳ信号電圧ＶＳに変換される。Ｓ信号・Ａ＋Ｂ信号電圧検出部１４２は、対物レンズ１１４と測定ワーク１０２との間の距離Ｚの変化に対応するＳ信号電圧ＶＳ及びＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）の測定によって、それぞれデータに変換する。Ｓ信号・Ａ＋Ｂ信号・位置データ記憶部１４４では、データとされたＳ信号電圧ＶＳ及びＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）と、位置検出部１３０から出力される距離Ｚの位置データと、を組にして記憶する。演算・制御部１４６は、前述の組とされたデータから、Ｓ信号有効判定電圧ＶＳＶを定める。なお、Ｓ信号有効判定電圧ＶＳＶは、距離Ｚにおける合焦判断電圧ＶＦＪの有効な領域を決定するための電圧であり、Ａ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）から自身を減算して得た電圧がゼロ以上の距離Ｚ、即ちＳ信号有効判定電圧ＶＳＶ以上の電圧となるＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）の距離Ｚにおける合焦判断電圧ＶＦＪを有効とする閾値電圧とされている（合焦判断電圧ＶＦＪは、距離Ｚが対物レンズ１１４の焦点距離とされた際に得られる電圧である）。定められたＳ信号有効判定電圧ＶＳＶは、Ｓ信号有効判定電圧記憶部１４８に記憶される。記憶されたＳ信号有効判定電圧ＶＳＶは、オートフォーカス制御で使用される。外部通信部１５０は、演算・制御部１４６に接続されており、ホストコントローラ１５２と通信可能とされている（無線でも有線でもよい）。即ち、外部通信部１５０は、ホストコントローラ１５２にＳ信号有効判定電圧ＶＳＶを通知するようにされている。ホストコントローラ１５２には入出力部１５４が接続されている。入出力部１５４は、キーボード、スピーカ、モニターなどから構成され、Ｓ信号有効判定電圧ＶＳＶがモニターに表示（出力）される。なお、入出力部１５４からは、各種設定値を入力することができる。なお、処理部１０８のうち、ホストコントローラ１５２と入出力部１５４とは他の構成要素とは別体とされ、ホストコントローラ１５２と入出力部１５４とは他のオートフォーカス機構と兼用とすることができる。

次に、オートフォーカス制御のための対物レンズ１１４の焦点距離Ｚを求める処理手順について、図２、図３を用いて説明する。

まず、光学ヘッド移動機構１３２をＺ方向に移動させることで光学ヘッド１０４を変位させる。そして、合焦位置ＰＦＪ近傍の対物レンズ１１４と測定ワーク１０２との距離Ｚの変化に対応するＳ信号電圧ＶＳ及びＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）を、対物レンズ１１４と測定ワーク１０２との距離Ｚを短い方から一定間隔で測定する（図２（Ａ）、図３のステップＳ２）。そして、順番に測定結果をＳ信号・Ａ＋Ｂ信号・位置データ記憶部１４４に記憶する。

次に、Ｓ信号電圧ＶＳ、Ａ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）、及び位置データを演算・制御部１４６に読み出す。そして、Ｓ信号電圧ＶＳにおける最大電圧及び最小電圧となる距離ＺにおけるＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）をそれぞれ第１電圧Ｒ及び第２電圧Ｗと定める。即ち、Ｓ信号電圧ＶＳの最大位置Ｐを算出し、その最大位置Ｐに対応するＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）を第１電圧Ｒに決定する（図２（Ｂ）、図３のステップＳ４）。そして、Ｓ信号電圧ＶＳの最小位置Ｕを算出し、その最小位置Ｕに対応するＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）を第２電圧Ｗに決定する（図２（Ｃ）、図３のステップＳ６）。

次に、第１電圧Ｒ及び第２電圧Ｗのうちの高い方の電圧を、合焦判断電圧ＶＦＪを有効とする閾値電圧であるＳ信号有効判定電圧ＶＳＶとして定める。つまり、第１電圧Ｒと第２電圧Ｗとを比較する（図３のステップＳ８）。そして、第１電圧Ｒが第２電圧Ｗ以上であれば、Ｓ信号有効判定電圧ＶＳＶを第１電圧Ｒとする（図２（Ｃ）、図３のステップＳ１０、本実施形態が該当）。逆に、第１電圧Ｒが第２電圧Ｗよりも小さければ、Ｓ信号有効判定電圧ＶＳＶを第２電圧Ｗとする（図３のステップＳ１２）。

次に、定められたＳ信号有効判定電圧ＶＳＶをＳ信号有効判定電圧記憶部１４８に記憶する（図３のステップＳ１４）。

オートフォーカス制御では、このＳ信号有効判定電圧ＶＳＶ以上となるＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）の合焦位置判断可能領域ＥＡＶにおいて、合焦判断電圧ＶＦＪとなるＳ信号電圧ＶＳの位置を対物レンズ１１４の焦点距離とする（（図２（Ｄ））。

本実施形態においては、Ｓ信号電圧ＶＳの最大位置Ｐと最小位置Ｕのいずれかで規定されるＡ＋Ｂ信号電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）をＳ信号有効判定電圧ＶＳＶとしている。このため、Ｓ信号有効判定電圧ＶＳＶによって規定される合焦位置判断可能領域ＥＡＶが、Ｓ信号電圧ＶＳの最大位置Ｐ及び最小位置Ｕの外側まで広がることを防止でき、かつ、確実に合焦位置判断可能領域ＥＡＶを決定することが可能となる。

従って、本実施形態においては、扱いやすく安定したオートフォーカス制御を可能としながら、多種多様な測定ワーク１０２に対応可能である。このため、本実施形態のオートフォーカス機構１００は、光学顕微鏡、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）検査／リペア装置、ＬＣＤ検査／リペア装置、ＩＣ検査／リペア装置、及び被接触変位測定装置に適用することが可能となる。

本発明について本実施形態を挙げて説明したが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、処理部１０８が、演算・制御部１４６と接続された外部通信部１５０と、外部通信部１５０と通信可能とされたホストコントローラ１５２とを備え、ホストコントローラ１５２に入出力部１５４が接続されていたが、本発明はこれに限定されない。外部通信部やホストコントローラがなく、入出力部が直接的に演算・制御部に接続されていてもよい。

また、上記実施形態においては、演算・制御部１４６がＳ信号有効判定電圧ＶＳＶを定め、対物レンズ１１４の焦点距離となる合焦判断電圧ＶＦＪを定めていたが、本発明はこれに限定されない。演算・制御部は単に、Ｓ信号・Ａ＋Ｂ信号・位置データ記憶部とＳ信号有効判定電圧記憶部と外部通信部との間のデータのやり取りを制御するだけとし、上述したような演算をホストコントローラで行うようにしてもよい。

本発明は、特にレーザ光を用いたオートフォーカス機構であり、光学顕微鏡、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）検査／リペア装置、ＬＣＤ検査／リペア装置、ＩＣ検査／リペア装置、及び被接触変位測定装置に広く適用することができる。

１、１００…オートフォーカス機構
２、１０２…測定ワーク
１２…結像レンズ
１４、１１４…対物レンズ
１６、１１６…レーザ光
２０…ビームスプリッタ
２２、１２２…第１ピンホール
２４、１２４…第１フォトダイオード
２６、１２６…第２ピンホール
２８、１２８…第２フォトダイオード
１０４…光学ヘッド
１０６…スタンド
１０８…処理部
１１０…レーザダイオード
１１２…チューブレンズ
１１８…第１ビームスプリッタ
１２０…第２ビームスプリッタ
１３０…位置検出部
１３２…光学ヘッド移動機構
１３４…Ａ信号電圧変換部
１３６…Ｂ信号電圧変換部
１３８…Ａ＋Ｂ信号電圧変換部
１４０…Ｓ信号電圧変換部
１４２…Ｓ信号・Ａ＋Ｂ信号電圧検出部
１４４…Ｓ信号・Ａ＋Ｂ信号・位置データ記憶部
１４６…演算・制御部
１４８…Ｓ信号有効判定電圧記憶部
１５０…外部通信部
１５２…ホストコントローラ
１５４…入出力部

Claims (1)

1. レーザ光を集光して測定ワークに照射する対物レンズと、該対物レンズを介して該測定ワークからの反射光を分岐するビームスプリッタと、分岐された一方の該反射光の焦点位置の手前側に配置された第１光量制限素子と、該第１光量制限素子を通過した該反射光を受光する第１受光素子と、分岐されたもう一方の該反射光の焦点位置の奥側に配置された第２光量制限素子と、該第２光量制限素子を通過した該反射光を受光する第２受光素子と、第１、第２受光素子から出力される信号をそれぞれＡ信号電圧、Ｂ信号電圧に変換し、式（１）、（２）に示すＡ＋Ｂ信号電圧とＳ信号電圧とを求める処理部と、を備えるオートフォーカス機構において、
   前記処理部に、
   前記Ｓ信号電圧における最大電圧及び最小電圧となる前記対物レンズと前記測定ワークとの間の距離における前記Ａ＋Ｂ信号電圧をそれぞれ第１電圧及び第２電圧と定める第１演算手段と、
   該第１電圧及び第２電圧のうちの高い方の電圧を、前記距離が前記対物レンズの焦点距離とされた際に得られる前記Ｓ信号電圧である合焦判断電圧を有効とする閾値電圧であるＳ信号有効判定電圧として定める第２演算手段と、
   該Ｓ信号有効判定電圧以上の電圧となる前記Ａ＋Ｂ信号電圧の前記距離において、前記合焦判断電圧となる前記Ｓ信号電圧の位置を前記対物レンズの焦点距離とする第３演算手段と、
   を備えることを特徴とするオートフォーカス機構。
   Ａ＋Ｂ信号電圧＝Ａ信号電圧＋Ｂ信号電圧 （１）
   Ｓ信号電圧＝（Ａ信号電圧−Ｂ信号電圧）／（Ａ信号電圧＋Ｂ信号電圧） （２）

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